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JP5000027B1 - Nonvolatile memory device - Google Patents

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Abstract

帯状に形成されている第1電極配線(151)と、第3層間絶縁層(16)と、メモリセルホール(29)の底部および側面を覆う領域に形成され、酸素不足型遷移金属酸化物で構成される第1抵抗変化層(18a)と、酸素含有率が前記第1抵抗変化層(18a)と異なる酸窒素不足型遷移金属酸窒化物で構成される第2抵抗変化層(18b)との積層構造体である抵抗変化層と、メモリセルホール(29)の内部に形成された第1電極(19)と、少なくともメモリセルホール(29)の開口を覆う領域に、第1電極配線(151)と交差する方向に帯状に形成されている第1配線(22)と、を備え、前記遷移金属をM、第1抵抗変化層(18a)の組成をMO、第2抵抗変化層(18b)の組成をMOと表した場合に、z>(x+y)なる関係を満たしている。
【選択図】図1
An oxygen-deficient transition metal oxide formed in a region covering the bottom and side surfaces of the first electrode wiring (151), the third interlayer insulating layer (16), and the memory cell hole (29) formed in a strip shape. A first resistance change layer (18a) configured, and a second resistance change layer (18b) configured of an oxygen-nitrogen-deficient transition metal oxynitride having an oxygen content different from that of the first resistance change layer (18a). The first electrode wiring (in the region covering the opening of the memory cell hole (29) and the first electrode (19) formed in the memory cell hole (29) and at least the opening of the memory cell hole (29). 151) and a first wiring (22) formed in a strip shape in a direction intersecting with 151), wherein the transition metal is M, the composition of the first resistance change layer (18a) is MO z , and the second resistance change layer ( the composition of 18b) when expressed as MO x N y, > Meets the (x + y) the relationship.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、抵抗変化型素子を用いた不揮発性記憶装置に関する。より詳しくは、素子の微細化を実現するためにメモリセルホール内に酸素含有率の異なる複数の抵抗変化層を形成するとともに複数の抵抗変化層間での酸素拡散を防止した不揮発性記憶装置に関する。   The present invention relates to a nonvolatile memory device using a resistance variable element. More specifically, the present invention relates to a nonvolatile memory device in which a plurality of resistance change layers having different oxygen contents are formed in a memory cell hole in order to realize element miniaturization and oxygen diffusion is prevented between the plurality of resistance change layers.

近年、電子機器におけるデジタル技術の進展に伴い、音楽、画像、情報等のデータを保存するために、大容量で、かつ不揮発性の記憶装置の開発が活発に行われている。例えば、強誘電体を容量素子として用いる不揮発性記憶装置は既に多くの分野で用いられている。さらに、このような強誘電体キャパシタを用いる不揮発性記憶装置に対して、電気的パルスの印加によって抵抗値が変化し、その状態を保持し続ける材料を用いた不揮発性記憶装置(以下、Resistive RAM、またはReRAMと呼ぶ)が、通常の半導体プロセスとの整合性を取りやすいという点で注目されている。   2. Description of the Related Art In recent years, with the advancement of digital technology in electronic devices, development of large-capacity and non-volatile storage devices has been actively conducted in order to store data such as music, images, and information. For example, a nonvolatile memory device using a ferroelectric as a capacitor element has already been used in many fields. Further, in contrast to a nonvolatile memory device using such a ferroelectric capacitor, a resistance value is changed by application of an electric pulse, and a nonvolatile memory device (hereinafter referred to as Resistive RAM) using a material that keeps the state is maintained. Or ReRAM) has attracted attention because it is easy to achieve consistency with a normal semiconductor process.

特許文献1は、記憶素子の小型化と記憶装置の大容量化を目指して、マトリクス状に配置された微細なホール内のそれぞれに抵抗変化層を形成したクロスポイント型のReRAMを提案する。   Patent Document 1 proposes a cross-point type ReRAM in which a resistance change layer is formed in each of minute holes arranged in a matrix in order to reduce the size of a memory element and increase the capacity of a memory device.

ところで、微細ホール内への埋め込み成膜プロセスとして、化学気相成長法(CVD法:Chemical Vapor Deposition)をはじめ、原子層薄膜蒸着法(ALD法:Atomic Layer Deposition)などが開発されている。ALD法は、単原子層ごとに膜成長を行うために、アスペクト比(aspect ratio)の高い微細ホール内にもコンフォーマル(conformal)に膜成長ができる特徴がある。   By the way, chemical vapor deposition (CVD: Chemical Vapor Deposition), atomic layer thin film deposition (ALD: Atomic Layer Deposition), and the like have been developed as a process for forming a film in a fine hole. The ALD method is characterized in that a film can be grown conformally even in a fine hole having a high aspect ratio because the film is grown for each monoatomic layer.

非特許文献1および2は、ALD法で成膜したTiO膜やHfO膜が電気パルスにより抵抗変化現象を示すことを報告している。Non-Patent Documents 1 and 2 report that a TiO 2 film or an HfO 2 film formed by the ALD method exhibits a resistance change phenomenon by an electric pulse.

特許文献2は、膜厚が小さくて欠損の少ない緻密な膜が形成可能であるために、漏れ電流が小さく抵抗変化特性の改善を期待して、ALD法により形成したNiO薄膜を用いた抵抗変化型不揮発性記憶素子を提案する。   In Patent Document 2, since a dense film with a small film thickness and few defects can be formed, the resistance change using a NiO thin film formed by the ALD method is expected in order to improve the resistance change characteristic with a small leakage current. Type nonvolatile memory element is proposed.

また、特許文献3は、酸素含有率の異なる2つの抵抗変化層を備える抵抗変化素子を開示する。   Patent Document 3 discloses a resistance change element including two resistance change layers having different oxygen contents.

さらに、特許文献4は、酸窒素不足型タンタル酸窒化物を抵抗変化素子に用いた抵抗変化素子が開示されている。酸窒素不足型タンタル酸窒化物層の窒素に対する酸素の含有率は1.08以上1.35以下であることを特徴としている。   Further, Patent Document 4 discloses a resistance change element using an oxynitrogen deficient tantalum oxynitride as a resistance change element. The oxygen content ratio of oxygen to nitrogen in the oxynitrogen-deficient tantalum oxynitride layer is 1.08 to 1.35.

国際公開第2008/47711号International Publication No. 2008/47711 特開2007−84935号公報JP 2007-84935 A 国際公開第2008/149484号International Publication No. 2008/149484 国際公開第2008/146461号International Publication No. 2008/146461

Journal Of Applied Physics 2005年98巻033715頁Journal Of Applied Physics, 2005, 98, 033715 Japanese Journal Of Applied Physics 2007年46巻4B号2172−2174頁Japan Journal Of Applied Physics 2007 Volume 46 No. 4B 2172-2174

しかしながら、特許文献3に開示された抵抗変化層を用いて不揮発性記憶装置を形成する場合には、以下の課題が生じる。不揮発性記憶装置の製造プロセスにおいては、多層配線の形成時に、層間絶縁膜の成膜、プラグ形成、配線形成、リカバリーアニールなどの工程において、抵抗変化型素子が熱処理されることになる。これらの熱処理により抵抗変化素子の抵抗変化層において、酸素濃度が高い第2のタンタル酸化物層から酸素濃度が低い第1のタンタル酸化物層に酸素が拡散し、その結果、酸素濃度プロファイルの劣化が生じる。   However, when a nonvolatile memory device is formed using the resistance change layer disclosed in Patent Document 3, the following problems arise. In the manufacturing process of the nonvolatile memory device, the resistance variable element is subjected to heat treatment in steps such as formation of an interlayer insulating film, plug formation, wiring formation, and recovery annealing at the time of forming a multilayer wiring. By these heat treatments, oxygen diffuses from the second tantalum oxide layer having a high oxygen concentration into the first tantalum oxide layer having a low oxygen concentration in the variable resistance layer of the variable resistance element. As a result, the oxygen concentration profile is degraded. Occurs.

さらに、酸素含有率の異なる2つの抵抗変化層をホール内に埋め込み形成する場合、通常の積層構造とは異なり、酸素含有率の異なる2つの抵抗変化層は下部電極膜直上のホール底部に加えてホール側壁部分でも両層が接するために有底筒状となって界面部の面積が著しく増加するために、酸素の相互拡散がより起こりやすくなる課題がある。   Further, when two resistance change layers having different oxygen contents are embedded in the hole, unlike the ordinary stacked structure, the two resistance change layers having different oxygen contents are added to the bottom of the hole directly above the lower electrode film. Since both layers are in contact with each other on the side wall of the hole, the bottomed cylinder is formed, and the area of the interface is remarkably increased.

本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、第1の抵抗変化層と第2の抵抗変化層との相互拡散を抑制することが可能となり、記憶装置の動作が安定する不揮発性記憶装置を提供することを目的とする。   The present invention solves the above-described conventional problem, and can suppress mutual diffusion between the first variable resistance layer and the second variable resistance layer, and the nonvolatile memory in which the operation of the storage device is stable. An object is to provide an apparatus.

本発明の不揮発性記憶装置の一つの態様は、基板上に帯状に形成されている第1電極配線と、前記第1電極配線および前記基板上に形成されている層間絶縁層と、前記層間絶縁層を貫通して前記第1電極配線に至るメモリセルホールと、前記メモリセルホール中において、前記メモリセルホールの底部および側面を覆う領域に形成されている抵抗変化層と、前記抵抗変化層上において、前記メモリセルホールの内部に形成された第1電極と、前記第1電極および前記絶縁層上において、少なくとも前記メモリセルホールの口部を覆う領域に、前記第1電極配線と交差する方向に帯状に形成されている第1配線と、を備え、前記抵抗変化層は、酸素不足型遷移金属酸化物で構成される第1抵抗変化層と、酸素含有率が前記第1抵抗変化層と異なる酸窒素不足型遷移金属酸窒化物で構成される第2抵抗変化層との積層構造体であり、前記遷移金属をM、前記第1抵抗変化層の組成をMO、前記第2抵抗変化層の組成をMOと表した場合に、z>(x+y)なる関係を満たしている。One aspect of the nonvolatile memory device according to the present invention includes a first electrode wiring formed in a strip shape on a substrate, the first electrode wiring and an interlayer insulating layer formed on the substrate, and the interlayer insulation. A memory cell hole extending through the layer to reach the first electrode wiring; a resistance change layer formed in a region covering the bottom and side surfaces of the memory cell hole in the memory cell hole; The first electrode formed in the memory cell hole and a direction intersecting the first electrode wiring in a region covering at least the opening of the memory cell hole on the first electrode and the insulating layer A first wiring formed in a strip shape, wherein the variable resistance layer includes a first variable resistance layer made of an oxygen-deficient transition metal oxide, and an oxygen content ratio of the first variable resistance layer Different A laminated structure of the second variable resistance layer comprised of acid nitrogen deficient transition metal oxynitride, wherein the transition metal M, the first composition of the resistance variable layer MO z, the second variable resistance layer Is expressed as MO x N y , the relationship z> (x + y) is satisfied.

本発明の不揮発性記憶装置は、ホール内に酸素含有率の異なる2つの抵抗変化層を埋め込んだ構造により2つの抵抗変化層の界面部分の面積が増加しても、第2の抵抗変化層が酸窒素不足型金属酸窒化物であるために、第1の抵抗変化層である金属酸化物との相互拡散を抑制することが可能となり、記憶装置の動作が安定するという効果を奏する。   Even if the area of the interface portion between the two resistance change layers increases due to the structure in which the two resistance change layers having different oxygen contents are embedded in the holes, the nonvolatile memory device of the present invention Since the metal oxynitride is deficient in oxynitrogen, it is possible to suppress mutual diffusion with the metal oxide that is the first variable resistance layer, and the operation of the memory device is stabilized.

図1は、本発明の第1実施形態に係る不揮発性記憶装置の構成の一例を示す平面図および1A−1A線に沿う断面図である。FIG. 1 is a plan view showing an example of the configuration of the nonvolatile memory device according to the first embodiment of the present invention and a sectional view taken along line 1A-1A. 図2は、図1の要部である抵抗変化型素子の構成の一例を示す平面図および2A−2A線に沿う断面図である。2 is a plan view showing an example of the configuration of the variable resistance element, which is the main part of FIG. 1, and a cross-sectional view taken along line 2A-2A. 図3は、本発明の第1実施形態に係る不揮発性記憶装置の一製造工程における断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view in one manufacturing process of the nonvolatile memory device according to the first embodiment of the present invention. 図4は、本発明の第1実施形態に係る不揮発性記憶装置の一製造工程における平面図、および3A−3A線に沿う断面図である。FIG. 4 is a plan view in one manufacturing process of the nonvolatile memory device according to the first embodiment of the present invention, and a sectional view taken along line 3A-3A. 図5は、本発明の第1実施形態に係る不揮発性記憶装置の一製造工程における断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view in one manufacturing process of the nonvolatile memory device according to the first embodiment of the present invention. 図6は、本発明の第1実施形態に係る不揮発性記憶装置の一製造工程における断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view in one manufacturing process of the nonvolatile memory device according to the first embodiment of the present invention. 図7は、本発明の第1実施形態に係る不揮発性記憶装置の一製造工程における断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view in one manufacturing process of the nonvolatile memory device according to the first embodiment of the present invention. 図8は、本発明の第1実施形態に係る不揮発性記憶装置の一製造工程における平面図および断面図である。FIG. 8 is a plan view and a cross-sectional view in one manufacturing process of the nonvolatile memory device according to the first embodiment of the present invention. 図9は、本発明の第1実施形態に係る不揮発性記憶装置の一製造工程における平面図および断面図である。FIG. 9 is a plan view and a cross-sectional view in one manufacturing process of the nonvolatile memory device according to the first embodiment of the present invention. 図10は、TaO膜中の(O+N)比率と比抵抗の関係を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the (O + N) ratio in the TaO x N y film and the specific resistance. 図11は、抵抗変化特性を測定したプレーナー型素子の断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view of a planar element whose resistance change characteristics are measured. 図12は、プレーナー型素子のパルス印加時の抵抗変化特性を示す図である。FIG. 12 is a diagram showing resistance change characteristics when a pulse is applied to the planar element. 図13は、プレーナー型素子のパルス印加時の抵抗変化特性を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing resistance change characteristics when a pulse is applied to the planar element. 図14は、プレーナー型素子のパルス印加時の抵抗変化特性を示す図である。FIG. 14 is a diagram showing resistance change characteristics when a pulse is applied to the planar element. 図15は、本発明の第2実施形態に係る不揮発性記憶装置の構成の一例を示す断面図である。FIG. 15 is a cross-sectional view showing an example of the configuration of the nonvolatile memory device according to the second embodiment of the present invention. 図16は、本発明の第2実施形態の変形例に係る抵抗変化素子の構成の一例を示す断面図である。FIG. 16: is sectional drawing which shows an example of a structure of the resistance change element which concerns on the modification of 2nd Embodiment of this invention. 図17は、本発明の第3実施形態に係る不揮発性記憶装置の構成の一例を示す断面図である。FIG. 17 is a cross-sectional view showing an example of the configuration of the nonvolatile memory device according to Embodiment 3 of the present invention. 図18は、プレーナー型素子における複数の抵抗変化層の界面部の面積を説明するための平面図およびA−A’線に沿う断面図である。FIG. 18 is a plan view and a cross-sectional view taken along the line A-A ′ for explaining the areas of the interface portions of the plurality of variable resistance layers in the planar element. 図19は、ホール型素子における複数の抵抗変化層の界面部の面積を説明するための平面図およびB−B’線に沿う断面図である。FIG. 19 is a plan view and a cross-sectional view taken along line B-B ′ for explaining the areas of the interface portions of the plurality of resistance change layers in the Hall element.

本発明の不揮発性記憶装置の一つの態様は、基板上に帯状に形成されている第1電極配線と、前記第1電極配線および前記基板上に形成されている層間絶縁層と、前記層間絶縁層を貫通して前記第1電極配線に至るメモリセルホールと、前記メモリセルホール中において、前記メモリセルホールの底部および側面を覆う領域に形成されている抵抗変化層と、前記抵抗変化層上において、前記メモリセルホールの内部に形成された第1電極と、前記第1電極および前記絶縁層上において、少なくとも前記メモリセルホールの口部を覆う領域に、前記第1電極配線と交差する方向に帯状に形成されている第1配線と、を備え、前記抵抗変化層は、酸素不足型遷移金属酸化物で構成される第1抵抗変化層と、酸素含有率が前記第1抵抗変化層と異なる酸窒素不足型遷移金属酸窒化物で構成される第2抵抗変化層との積層構造体であり、前記遷移金属をM、前記第1抵抗変化層の組成をMO、前記第2抵抗変化層の組成をMOと表した場合に、z>(x+y)なる関係を満たしている。One aspect of the nonvolatile memory device according to the present invention includes a first electrode wiring formed in a strip shape on a substrate, the first electrode wiring and an interlayer insulating layer formed on the substrate, and the interlayer insulation. A memory cell hole extending through the layer to reach the first electrode wiring; a resistance change layer formed in a region covering the bottom and side surfaces of the memory cell hole in the memory cell hole; The first electrode formed in the memory cell hole and a direction intersecting the first electrode wiring in a region covering at least the opening of the memory cell hole on the first electrode and the insulating layer A first wiring formed in a strip shape, wherein the variable resistance layer includes a first variable resistance layer made of an oxygen-deficient transition metal oxide, and an oxygen content ratio of the first variable resistance layer Different A laminated structure of the second variable resistance layer comprised of acid nitrogen deficient transition metal oxynitride, wherein the transition metal M, the first composition of the resistance variable layer MO z, the second variable resistance layer Is expressed as MO x N y , the relationship z> (x + y) is satisfied.

ここで、前記第1抵抗変化層が前記メモリセルホールの底部および側面に接しており、前記第2抵抗変化層が前記第1抵抗変化層に接していてもよい。   Here, the first variable resistance layer may be in contact with the bottom and side surfaces of the memory cell hole, and the second variable resistance layer may be in contact with the first variable resistance layer.

前記遷移金属は、タンタル、ハフニウム、ジルコニウム、ニッケル、チタンからなる群より選ばれるいずれか1つの遷移金属であることが好ましい。また、前記遷移金属はタンタルであることが好ましい。   The transition metal is preferably any one transition metal selected from the group consisting of tantalum, hafnium, zirconium, nickel, and titanium. The transition metal is preferably tantalum.

酸窒素不足型タンタル酸窒化物に占める酸素原子数と窒素原子数の総和は、50乃至70atm%であることが好ましい。   The total number of oxygen atoms and nitrogen atoms in the oxynitrogen-deficient tantalum oxynitride is preferably 50 to 70 atm%.

また、前記第1電極と前記第1配線との間に第1電流制御層を配置する構成とすることも可能である。   In addition, a configuration in which a first current control layer is disposed between the first electrode and the first wiring may be employed.

微細な記憶素子を実現する構造および製造方法としては、1)基板に平行な面に必要となる電極層および抵抗変化層を積層して成膜した後にドライエッチングプロセスにより一括して加工する方法と、2)あらかじめ微細ホールを形成し、この微細ホール内に抵抗変化層や電極を埋め込み形成する方法が考えられる。   As a structure and manufacturing method for realizing a fine memory element, 1) a method of laminating and forming a necessary electrode layer and a resistance change layer on a surface parallel to a substrate, and then collectively processing by a dry etching process; 2) A method of forming a fine hole in advance and embedding a variable resistance layer or an electrode in the fine hole is conceivable.

1)の場合、成膜プロセスは容易であるが、エッチングレートの異なる複数の薄膜材料を一括してドライエッチングするために、所望の精度で加工することは容易ではない。特に、積層数が多い素子構造の場合や素子サイズが小さい場合には、エッチングプロセスが困難となる。   In the case of 1), the film forming process is easy. However, since a plurality of thin film materials having different etching rates are collectively dry-etched, it is not easy to process with a desired accuracy. In particular, in the case of an element structure with a large number of stacked layers or when the element size is small, the etching process becomes difficult.

一方、2)の場合には、エッチングプロセスの課題よりは微細ホール内に抵抗変化層および電極を形成することが難しくなる。一般に、スパッタ法のような物理的手法の成膜プロセスは、アスペクト比の高い微細ホールにカバレッジ良く膜を形成することは困難である。そこで、CVD法やALD法を用いることになる。   On the other hand, in the case of 2), it becomes more difficult to form the variable resistance layer and the electrode in the fine hole than the problem of the etching process. In general, it is difficult to form a film with good coverage in a fine hole having a high aspect ratio by a film forming process using a physical method such as sputtering. Therefore, a CVD method or an ALD method is used.

微細ホールに内に酸素含有率の異なる複数の抵抗変化層を埋め込み形成してなるホール型素子では、当該ホール型素子と同じフットプリントに、基板の主面と平行に複数の抵抗変化層を積層してなるプレーナー型素子と比べて、抵抗変化層同士の接触面積が大きくなる。例えば、1辺がLnmの正方形のフットプリントに形成可能なプレーナー型素子およびホール型素子を考える。   In a Hall element formed by embedding a plurality of variable resistance layers with different oxygen contents in fine holes, a plurality of variable resistance layers are stacked in parallel to the main surface of the substrate in the same footprint as the Hall type element. Compared with the planar type element formed, the contact area between the resistance change layers becomes large. For example, consider a planar type element and a Hall type element that can be formed in a square footprint with one side of Lnm.

図18は、プレーナー型素子の一例を模式的に示す平面図およびA−A’線に沿う断面図である。このようなプレーナー型素子の場合、抵抗変化層同士の接触面積Sは(式1)で表される。   FIG. 18 is a plan view schematically showing an example of a planar element and a cross-sectional view taken along the line A-A ′. In the case of such a planar element, the contact area S between the resistance change layers is expressed by (Expression 1).

S=L ・・・(式1)S = L 2 (Formula 1)

図19は、ホール型素子の一例を模式的に示す平面図およびB−B’線に沿う断面図である。このようなホール型素子の場合には、ホール深さをD、第1抵抗変化層の膜厚をT、第2抵抗変化層の膜厚をTとすると、抵抗変化層同士の接触面積Sは、(式2)で表される。FIG. 19 is a plan view schematically showing an example of the Hall element and a sectional view taken along the line BB ′. In the case of such a Hall-type element, assuming that the hole depth is D, the thickness of the first resistance change layer is T 1 , and the thickness of the second resistance change layer is T 2 , the contact area between the resistance change layers. S is represented by (Formula 2).

S=(L−2T)×(D−T)π+{(L−2T)/2}π ・・・(式2)S = (L−2T 1 ) × (D−T 1 ) π + {(L−2T 1 ) / 2} 2 π (Expression 2)

例えば、L=60nm、D=120nm、T=T=10nmの場合を考えると、プレーナー型素子では、抵抗変化層間の接触面積Sは、式1より3600nmである。これに対し、ホール型素子では、抵抗変化層間の接触面積Sは、式2より15079.6nmとなり積層構造の約4.2倍となる。従って、抵抗変化層間での酸素の相互拡散量も増加すると推定される。For example, considering the case of L = 60 nm, D = 120 nm, and T 1 = T 2 = 10 nm, in the planar type element, the contact area S between the resistance change layers is 3600 nm 2 from Equation 1. On the other hand, in the Hall element, the contact area S between the resistance change layers is 15079.6 nm 2 from Equation 2 , which is about 4.2 times that of the laminated structure. Therefore, it is estimated that the amount of oxygen interdiffusion between the resistance change layers also increases.

タンタル(Ta)、チタン(Ti)などの金属酸窒化物は安定な化合物であり、窒化タンタル(TaN)、窒化チタン(TiN)と同様にバリア性が高い。また、金属酸窒化物は、金属窒化物中の窒素原子の一部を酸素原子で置換していると考えられる。このため、拡散後に酸素で置換されるサイトが制限されているために、界面からの酸素原子の拡散は抑制されると考えられる。   Metal oxynitrides such as tantalum (Ta) and titanium (Ti) are stable compounds and have high barrier properties like tantalum nitride (TaN) and titanium nitride (TiN). Further, it is considered that the metal oxynitride substitutes a part of nitrogen atoms in the metal nitride with oxygen atoms. For this reason, it is considered that the diffusion of oxygen atoms from the interface is suppressed because the sites substituted with oxygen after diffusion are limited.

従って、界面からの酸素原子の拡散に対しては、拡散後の置換サイトを抑制する効果があり、酸素拡散を防止することができると考えられる。よって、本発明の不揮発性記憶装置の構成では、ホール内に酸素含有率の異なる2つの抵抗変化層を埋め込んだ構造により2つの抵抗変化層の界面部分の面積が増加しても、第2の抵抗変化層が酸窒素不足型金属酸窒化物であるために、第1の抵抗変化層である金属酸化物との相互拡散を抑制することが可能となる。   Therefore, it is considered that the diffusion of oxygen atoms from the interface has an effect of suppressing the substitution site after diffusion, and oxygen diffusion can be prevented. Therefore, in the configuration of the nonvolatile memory device of the present invention, even if the area of the interface portion between the two resistance change layers increases due to the structure in which the two resistance change layers having different oxygen contents are embedded in the holes, Since the variable resistance layer is an oxynitrogen-deficient metal oxynitride, mutual diffusion with the metal oxide that is the first variable resistance layer can be suppressed.

また、前記第1抵抗変化層の組成をMOと表し、前記第2抵抗変化層の組成をMOと表した場合に、
z>(x+y) ・・・(式3)
なる関係を満たしている。式3の関係を満たすことにより、第1の抵抗変化層であるタンタル酸化物層の抵抗率は、酸窒素不足型タンタル酸窒化物層の抵抗率よりも高くなる。
When the composition of the first resistance change layer is expressed as MO z and the composition of the second resistance change layer is expressed as MO x N y ,
z> (x + y) (Formula 3)
Satisfies the relationship. By satisfying the relationship of Equation 3, the resistivity of the tantalum oxide layer that is the first variable resistance layer becomes higher than the resistivity of the oxynitrogen-deficient tantalum oxynitride layer.

抵抗変化動作時に印加した電圧パルスは、第1抵抗変化層であるタンタル酸化物層と第2抵抗変化層である酸窒素不足型タンタル酸窒化物層の両方に分配されるが、このうち抵抗変化動作に寄与するのは、酸素が出入りするタンタル酸化物層に分配される成分である。タンタル酸化物層の抵抗率を酸窒素不足型タンタル酸化物層の抵抗率より高くすることで、タンタル酸化物層に分配される電圧パルスの成分が大きくなり、不揮発性記憶装置を低電圧で動作させることが可能となる。   The voltage pulse applied during the resistance change operation is distributed to both the tantalum oxide layer, which is the first resistance change layer, and the oxynitrogen deficient tantalum oxynitride layer, which is the second resistance change layer. It is a component distributed to the tantalum oxide layer through which oxygen enters and exits that contributes to the operation. By making the resistivity of the tantalum oxide layer higher than the resistivity of the oxynitride-deficient tantalum oxide layer, the voltage pulse component distributed to the tantalum oxide layer increases, and the nonvolatile memory device operates at a low voltage. It becomes possible to make it.

また、前記組成の関係を満たすことにより第1の抵抗変化層であるMO層の抵抗率は、第2抵抗変化層であるMO層の抵抗率よりも高くなる。抵抗変化動作時に印加した電圧パルスは、第1抵抗変化層と第2抵抗変化層の両方に印加されるが、このうち抵抗変化動作に寄与するのは、酸素が出入りする第1抵抗変化層に印加される電圧である。第1抵抗変化層の抵抗率を第2抵抗変化層の抵抗率より高くすることで、第1抵抗変化層に分配される電圧パルスの成分が、第2抵抗変化層に分配される電圧パルスの成分よりも大きくなる。これにより、抵抗変化層を単層で構成した場合に比べて、不揮発性記憶装置を低電圧で動作させることが可能となる。不揮発性記憶装置を上述の構成とすることで、不揮発性記憶装置を抵抗変化動作させるために必要な電圧は2.4V以下となり、低電圧で動作させることが可能となる。Further, by satisfying the above compositional relationship, the resistivity of the MO z layer that is the first variable resistance layer becomes higher than the resistivity of the MO x N y layer that is the second variable resistance layer. The voltage pulse applied during the resistance change operation is applied to both the first resistance change layer and the second resistance change layer. Of these, the resistance change operation contributes to the first resistance change layer where oxygen enters and exits. This is the applied voltage. By making the resistivity of the first resistance change layer higher than the resistivity of the second resistance change layer, the component of the voltage pulse distributed to the first resistance change layer is changed to the voltage pulse distributed to the second resistance change layer. Larger than the ingredients. As a result, the nonvolatile memory device can be operated at a lower voltage than in the case where the variable resistance layer is formed of a single layer. When the nonvolatile memory device has the above-described configuration, the voltage necessary for the resistance change operation of the nonvolatile memory device is 2.4 V or less, and the nonvolatile memory device can be operated at a low voltage.

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、同じ要素については同じ符号を付しており説明を省略する場合がある。また、トランジスタや記憶部等の形状については模式的なものであり、その個数等についても図示しやすい個数としている。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected about the same element and description may be abbreviate | omitted. Further, the shapes of the transistors, the memory portions, and the like are schematic, and the numbers thereof are easily illustrated.

(第1実施形態)
[装置構成]
図1は、本発明の第1実施形態に係る不揮発性記憶装置10の構成の一例を模式的に示す平面図、および1A−1A線に沿う断面を矢印方向に見た断面図である。図1の平面図は、理解しやすくするために最上層の第4層間絶縁層23の一部を除去した仮想的な状態を示す。
(First embodiment)
[Device configuration]
FIG. 1 is a plan view schematically showing an example of the configuration of the nonvolatile memory device 10 according to the first embodiment of the present invention, and a cross-sectional view taken along the line 1A-1A in the arrow direction. The plan view of FIG. 1 shows a virtual state in which a part of the uppermost fourth interlayer insulating layer 23 is removed for easy understanding.

図2は、図1の要部である第1抵抗変化型素子17の平面図、および2A−2A線に沿う断面を矢印方向に見た断面図である。   FIG. 2 is a plan view of the first variable resistance element 17 which is the main part of FIG. 1, and a cross-sectional view taken along the line 2A-2A in the direction of the arrow.

本実施形態の不揮発性記憶装置10は、基板11と、基板11の上に形成された、第1裏打ち配線15とその上部に第1裏打ち配線15と物理的に接触するように形成された第1電極配線151とで構成される下層配線と、当該下層配線を覆うように形成された第3層間絶縁層16とを備えている。当該下層配線は、基板11の主面に垂直な方向(以下では、基板の厚み方向と言う)から見て、帯状に形成されている。   The nonvolatile memory device 10 according to this embodiment includes a substrate 11, a first backing wiring 15 formed on the substrate 11, and a first backing wiring 15 formed on the first backing wiring 15 so as to be in physical contact therewith. A lower layer wiring composed of one electrode wiring 151 and a third interlayer insulating layer 16 formed so as to cover the lower layer wiring are provided. The lower layer wiring is formed in a band shape when viewed from a direction perpendicular to the main surface of the substrate 11 (hereinafter referred to as a thickness direction of the substrate).

第3層間絶縁層16には、第1電極配線151に達するメモリセルホール29が、所定の間隔で形成されている。メモリセルホール29に対応して、第1抵抗変化型素子17が形成されている。   In the third interlayer insulating layer 16, memory cell holes 29 reaching the first electrode wiring 151 are formed at a predetermined interval. Corresponding to the memory cell hole 29, the first resistance variable element 17 is formed.

ここで、第1電極配線151は帯状の電極であり、第1抵抗変化型素子17の第1電極を構成する。第1裏打ち配線15は、帯状の電極である第1電極配線151の配線抵抗を下げるため、第1電極配線151と略同一形状で、かつ第1電極配線151より抵抗の低い材料で構成される配線である。   Here, the first electrode wiring 151 is a belt-like electrode and constitutes the first electrode of the first resistance change element 17. The first backing wiring 15 is made of a material having substantially the same shape as the first electrode wiring 151 and having a lower resistance than the first electrode wiring 151 in order to reduce the wiring resistance of the first electrode wiring 151 that is a strip-shaped electrode. Wiring.

メモリセルホール29の内部には、メモリセルホール29の底および側壁を覆い第1電極配線151と物理的に接触するようにメモリセルホール29の形状に応じてほぼ同じ厚さでコンフォーマル(conformal)に形成された第1抵抗変化層18aと、第1抵抗変化層18aの底および側壁を覆い第1抵抗変化層18aと物理的に接触するように形成された第2抵抗変化層18bと、第2抵抗変化層18bの内側に第2抵抗変化層18bと物理的に接触するように形成された第1電極19が形成されている。ここで、コンフォーマルとは形状適応性がよいという意味であり、メモリセルホール29内の底面及び側壁に隙間なく、また段切れなく第1抵抗変化層18aをほぼ同じ膜厚で成膜できることと定義する。   Within the memory cell hole 29, conformal (conformal) is formed with substantially the same thickness according to the shape of the memory cell hole 29 so as to cover the bottom and side walls of the memory cell hole 29 and to be in physical contact with the first electrode wiring 151. And a second resistance change layer 18b formed so as to cover the bottom and side walls of the first resistance change layer 18a and to be in physical contact with the first resistance change layer 18a, A first electrode 19 formed so as to be in physical contact with the second resistance change layer 18b is formed inside the second resistance change layer 18b. Here, the term “conformal” means that the shape adaptability is good, and the first resistance change layer 18a can be formed with substantially the same film thickness without any gap between the bottom surface and the side wall in the memory cell hole 29 and without stepping. Define.

各メモリセルホール29について、該メモリセルホール29の底に露出する第1電極配線151と、該メモリセルホール29の内部の第1抵抗変化層18aと、該メモリセルホール29の内部の第2抵抗変化層18bと、該メモリセルホール29の内部の第1電極19とで、第1抵抗変化型素子17が構成される。   For each memory cell hole 29, the first electrode wiring 151 exposed at the bottom of the memory cell hole 29, the first resistance change layer 18 a inside the memory cell hole 29, and the second electrode inside the memory cell hole 29 The variable resistance layer 18 b and the first electrode 19 inside the memory cell hole 29 constitute the first variable resistance element 17.

第1抵抗変化層18aは、好ましくは遷移金属酸化物で構成され、より好ましくは酸素不足型のタンタル酸化物で構成される。第2抵抗変化層18bは、好ましくは酸窒素不足型金属酸窒化物で構成され、より好ましくは酸窒素不足型タンタル酸窒化物で構成される。   The first resistance change layer 18a is preferably made of a transition metal oxide, more preferably an oxygen-deficient tantalum oxide. The second resistance change layer 18b is preferably made of an oxynitrogen-deficient metal oxynitride, more preferably an oxynitrogen-deficient tantalum oxynitride.

ここで、酸素不足型の遷移金属酸化物とは、遷移金属Mの酸化物をMO(xは、遷移金属Mを1モルとしたときの酸素Oのモル数で表される組成比)と表記した場合に、酸素Oの組成比xが化学量論的に安定な状態の組成比(遷移金属MがタンタルTaの場合には2.5)よりも小さい酸化物である。Here, the oxygen-deficient transition metal oxide refers to an oxide of transition metal M by MO x (x is a composition ratio represented by the number of moles of oxygen O when transition metal M is 1 mol) and In the case of the notation, it is an oxide smaller than the composition ratio in which the composition ratio x of oxygen O is stoichiometrically stable (2.5 when the transition metal M is tantalum Ta).

また、酸窒素不足型金属酸窒化物とは、遷移金属Mの酸窒化物をMO(x、yは、遷移金属Mを1モルとしたときの酸素O、窒素Nのそれぞれのモル数で表される組成比)と表記した場合に、酸素Oの組成比xと窒素Nの組成比yとの和が化学量論的に安定な状態の組成比の和(遷移金属MがタンタルTaの場合には2.5)よりも小さい酸化物である。In addition, the oxynitride-deficient metal oxynitride is an oxynitride of the transition metal M that is MO x N y (where x and y are the respective moles of oxygen O and nitrogen N when the transition metal M is 1 mol). (Composition ratio expressed by a number), the sum of the composition ratio x of oxygen O and the composition ratio y of nitrogen N is stoichiometrically stable (the transition metal M is tantalum). In the case of Ta, the oxide is smaller than 2.5).

例えば、酸窒素不足型タンタル酸窒化物は、次のように定義される。一般に、タンタルは+5価、酸素は−2価、窒素は−3価のイオンとして存在することが安定状態である。したがって、酸窒素不足型タンタル酸窒化物の組成をTaOで表すと、2x+3y=5を満たす酸窒素不足型タンタル酸窒化物が安定に存在しうることになる。酸窒素不足型タンタル酸窒化物とは、その組成をTaOx’y’で表すと、2x’+3y’<5となるような組成を有する酸窒素不足型タンタル酸窒化物である。For example, oxynitrogen-deficient tantalum oxynitride is defined as follows. In general, it is stable that tantalum is present as +5 valence, oxygen as -2 valence, and nitrogen as -3 valent ion. Therefore, when the composition of the oxynitrogen-deficient tantalum oxynitride is represented by TaO x N y , an oxy-nitrogen deficient tantalum oxynitride satisfying 2x + 3y = 5 can exist stably. The oxynitrogen deficient tantalum oxynitride is an oxynitrogen deficient tantalum oxynitride having a composition such that 2x ′ + 3y ′ <5 when the composition is represented by TaO x ′ N y ′ .

酸素不足型のタンタル酸化物で構成された遷移金属酸化物の抵抗変化層を用いることにより、可逆的に安定した書き換え特性を有する、抵抗変化現象を利用した不揮発性記憶素子を得ることができる。このことについては、特許文献5:国際公開第2008/059701号に詳細に説明されている。   By using a resistance change layer of a transition metal oxide composed of an oxygen-deficient tantalum oxide, a nonvolatile memory element using a resistance change phenomenon having reversibly stable rewriting characteristics can be obtained. This is described in detail in Patent Document 5: International Publication No. 2008/059701.

また、酸窒素不足型タンタル酸窒化物層は、特許文献3の国際公開第2008/149484号に記載された第1のタンタル酸化物層に比べて酸素が拡散しにくい。これは、Taの金属酸窒化物は安定な化合物であり、TaNと同様にバリア性が高い。また、金属酸窒化物は、金属窒化物中の窒素原子の一部を酸素原子で置換していると考えられる。このため、拡散後に酸素で置換されるサイトが制限されているために、界面からの酸素原子の拡散は抑制されると考えられる。   Further, the oxynitrogen-deficient tantalum oxynitride layer is less likely to diffuse oxygen than the first tantalum oxide layer described in International Publication No. 2008/149484 of Patent Document 3. This is because the metal oxynitride of Ta is a stable compound and has a high barrier property like TaN. Further, it is considered that the metal oxynitride substitutes a part of nitrogen atoms in the metal nitride with oxygen atoms. For this reason, it is considered that the diffusion of oxygen atoms from the interface is suppressed because the sites substituted with oxygen after diffusion are limited.

以上より、タンタル酸化物層から酸素が拡散することを抑制することが可能となり、ホール型抵抗変化型素子の課題であった界面層面積の増加に伴う酸素濃度プロファイルの劣化を低減することが可能となる。   As described above, it is possible to suppress the diffusion of oxygen from the tantalum oxide layer, and it is possible to reduce the deterioration of the oxygen concentration profile accompanying the increase in the interface layer area, which was a problem of the Hall resistance variable element. It becomes.

第1抵抗変化層18aおよび第2抵抗変化層18bは、タンタル酸化物およびタンタル酸窒化物だけでなく、チタン(Ti)、ハフニウム(Hf)、ジルコニウム(Zr)、またはニッケル(Ni)等の遷移金属を母体とする酸化物および酸窒化物により形成してもよい。このような遷移金属酸化物は、閾値以上の電圧または電流が印加されたときに特定の抵抗値を示し、その抵抗値は新たに一定の大きさのパルス電圧またはパルス電流が印加されるまでは、その抵抗値を維持しつづけるため、不揮発性記憶素子に利用できる。   The first resistance change layer 18a and the second resistance change layer 18b include not only tantalum oxide and tantalum oxynitride, but also transitions such as titanium (Ti), hafnium (Hf), zirconium (Zr), or nickel (Ni). You may form with the metal based oxide and oxynitride. Such a transition metal oxide exhibits a specific resistance value when a voltage or current exceeding a threshold value is applied, and the resistance value is newly applied until a pulse voltage or pulse current having a certain magnitude is applied. In order to keep the resistance value, it can be used for a nonvolatile memory element.

第1抵抗変化層18aの酸素含有率は、第2抵抗変化層18bの酸素含有率よりも高いことが好ましい。すなわち、第1抵抗変化層18aを構成する遷移金属酸化物をMO、第2抵抗変化層18bを構成する遷移金属酸窒化物をMOとするとき、
z>(x+y) ・・・(式4)
であることが好ましい。ここで特に、x>0かつy>0としてもよい。抵抗変化層が酸素含有率の異なる2つの層で構成されている抵抗変化素子については、特許文献3の国際公開第2008/149484号で詳細に説明されている。
The oxygen content of the first resistance change layer 18a is preferably higher than the oxygen content of the second resistance change layer 18b. That is, when the transition metal oxide constituting the first resistance change layer 18a is MO z and the transition metal oxynitride constituting the second resistance change layer 18b is MO x N y ,
z> (x + y) (Formula 4)
It is preferable that Here, in particular, x> 0 and y> 0 may be satisfied. The variable resistance element in which the variable resistance layer is composed of two layers having different oxygen contents is described in detail in International Publication No. 2008/149484 of Patent Document 3.

第1電極配線151の近傍において抵抗変化層の酸素含有率を高く設定することにより、第1電極配線151と抵抗変化層との界面での酸化還元反応により抵抗変化現象を発現しやすくすることができる。これにより、低電圧駆動が可能な良好なメモリセル特性を得ることができる。   By setting the oxygen content of the resistance change layer high in the vicinity of the first electrode wiring 151, it is possible to easily develop a resistance change phenomenon due to an oxidation-reduction reaction at the interface between the first electrode wiring 151 and the resistance change layer. it can. As a result, good memory cell characteristics capable of low voltage driving can be obtained.

第1電極配線151は、白金やイリジウム、パラジウムなどで構成するのが好適である。白金やイリジウムの標準電極電位は+1.2eV、パラジウムの標準電極電位は+1.0eVとなる。一般に標準電極電位は、酸化されやすさの一つの指標であり、この値が大きければ酸化されにくく、小さければ酸化されやすいことを意味する。   The first electrode wiring 151 is preferably composed of platinum, iridium, palladium, or the like. The standard electrode potential of platinum or iridium is +1.2 eV, and the standard electrode potential of palladium is +1.0 eV. In general, the standard electrode potential is one index of the degree of oxidization, and if this value is large, it means that it is difficult to oxidize, and if it is small, it means that it is easily oxidized.

発明者らの研究によれば、電極を構成する材料の標準電極電位と抵抗変化層に含まれる遷移金属の標準電極電位との差が大きいほど抵抗変化が起こりやすく、差が小さくなるにつれて、抵抗変化が起こりにくいことが明らかになっている。この事実から、電極と抵抗変化層の材料の酸化のされやすさが抵抗変化現象のメカニズムに大きな役割を果たしていると推測される。   According to the inventors' research, the greater the difference between the standard electrode potential of the material constituting the electrode and the standard electrode potential of the transition metal contained in the resistance change layer, the easier the resistance change occurs. It has become clear that changes are unlikely to occur. From this fact, it is presumed that the ease of oxidation of the material of the electrode and the resistance change layer plays a major role in the mechanism of the resistance change phenomenon.

タンタルの標準電極電位は−0.6eVで、白金やイリジウム、パラジウムの標準電極電位よりも低い。よって上記好適な構成では、白金やイリジウム、パラジウムで構成された第1電極配線151とタンタル酸化物で構成された第1抵抗変化層18aとの界面で、酸化還元反応が起こり、酸素の授受が行われて、抵抗変化現象が発現する。   The standard electrode potential of tantalum is −0.6 eV, which is lower than the standard electrode potential of platinum, iridium, and palladium. Therefore, in the above preferred configuration, an oxidation-reduction reaction occurs at the interface between the first electrode wiring 151 made of platinum, iridium, and palladium and the first resistance change layer 18a made of tantalum oxide, so that oxygen is exchanged. As a result, a resistance change phenomenon occurs.

第1裏打ち配線15は、例えばTi−Al−N合金またはCuまたはAlまたはTi−Al合金またはこれらの積層構造で構成できる。第1電極配線151は、PtまたはIr等で構成できる。第1裏打ち配線15および第1電極配線151は、スパッタ法により成膜した後、露光プロセスとエッチングプロセスを経ることで容易に形成できる。   The first backing wiring 15 can be composed of, for example, a Ti—Al—N alloy, Cu, Al, Ti—Al alloy, or a laminated structure thereof. The first electrode wiring 151 can be composed of Pt, Ir, or the like. The first backing wiring 15 and the first electrode wiring 151 can be easily formed by performing an exposure process and an etching process after forming the film by sputtering.

第1電極19は、第1電極配線151を構成する材料より標準電極電位が低い材料で構成されていることが好ましい。さらに、第1電極19は、抵抗変化層を構成する遷移金属より標準電極電位が低い材料で構成されていることが好ましい。このような構成とすることにより、第1電極配線151と第1抵抗変化層18aの界面近傍で、第1抵抗変化層18aの酸化還元反応が選択的に起こり、安定した抵抗変化を起こすことができる。   The first electrode 19 is preferably made of a material having a standard electrode potential lower than that of the material constituting the first electrode wiring 151. Furthermore, the first electrode 19 is preferably made of a material having a standard electrode potential lower than that of the transition metal constituting the resistance change layer. With such a configuration, the oxidation-reduction reaction of the first resistance change layer 18a selectively occurs in the vicinity of the interface between the first electrode wiring 151 and the first resistance change layer 18a, thereby causing a stable resistance change. it can.

第1電極19は、第1抵抗変化層18aおよび第2抵抗変化層18bを構成する遷移金属の窒化物で構成されていてもよい。例えば、抵抗変化層18aおよび第2抵抗変化層18bをタンタル酸化物で構成する場合には、第1電極19を窒化タンタル(TaN)や、アルミニウムで構成してもよい。   The first electrode 19 may be made of a transition metal nitride constituting the first resistance change layer 18a and the second resistance change layer 18b. For example, when the resistance change layer 18a and the second resistance change layer 18b are made of tantalum oxide, the first electrode 19 may be made of tantalum nitride (TaN) or aluminum.

メモリセルホール29の上部開口には、第1抵抗変化層18aと、第2抵抗変化層18bと、第1電極19とが露出しており、これを被覆するように第1配線22が形成される。第1配線22は、基板の主面と平行な面内でかつ第1裏打ち配線15が配置された面と異なる面内において、第1裏打ち配線15に対して交差する方向に帯状でかつメモリセルホール29の開口より大きな形状(面積)を有し、メモリセルホール29の開口を完全に覆いかつその周囲にはみ出すように、第3層間絶縁層16の上に形成される。   In the upper opening of the memory cell hole 29, the first resistance change layer 18a, the second resistance change layer 18b, and the first electrode 19 are exposed, and a first wiring 22 is formed so as to cover them. The The first wiring 22 is a band-shaped memory cell in a direction intersecting the first backing wiring 15 in a plane parallel to the main surface of the substrate and different from the plane where the first backing wiring 15 is disposed. It is formed on the third interlayer insulating layer 16 so as to have a shape (area) larger than the opening of the hole 29, completely covering the opening of the memory cell hole 29 and protruding to the periphery thereof.

第1配線22の材料には、銅(Cu)、アルミニウム(Al)、等の低抵抗な材料を用いることができる。   As a material of the first wiring 22, a low resistance material such as copper (Cu) or aluminum (Al) can be used.

図1に示すように、第1配線22は、第1抵抗変化型素子17がマトリクス状に形成された領域の外まで延在されている。マトリクス領域内では、第1配線22が各メモリセルを接続する配線(ワード線あるいはビット線等)として機能する。   As shown in FIG. 1, the first wiring 22 extends to the outside of the region where the first variable resistance element 17 is formed in a matrix. In the matrix region, the first wiring 22 functions as a wiring (word line or bit line) connecting each memory cell.

本実施形態では、基板11としてシリコン単結晶基板が用いられ、基板11の上にトランジスタ等の能動素子12を集積した半導体回路を有する。図1では、能動素子12は、ソース領域12a、ドレイン領域12b、ゲート絶縁膜12cおよびゲート電極12dからなるトランジスタ(MOS−FET)を示している。ただし、基板11の上には能動素子12だけでなく、一般にDRAM等のメモリ回路に必要な素子をも形成されうる。   In the present embodiment, a silicon single crystal substrate is used as the substrate 11, and a semiconductor circuit having active elements 12 such as transistors integrated on the substrate 11 is provided. In FIG. 1, the active element 12 is a transistor (MOS-FET) including a source region 12a, a drain region 12b, a gate insulating film 12c, and a gate electrode 12d. However, not only the active element 12 but also an element generally required for a memory circuit such as a DRAM can be formed on the substrate 11.

第1裏打ち配線15および第1配線22は、基板11の厚み方向から見て、第1抵抗変化型素子17が形成されたマトリクス領域とは異なる領域(例えば、マトリクス領域の周辺)において能動素子12にそれぞれ接続されている。   The first backing wiring 15 and the first wiring 22 are active elements 12 in a region (for example, the periphery of the matrix region) different from the matrix region in which the first resistance change element 17 is formed as viewed from the thickness direction of the substrate 11. Are connected to each.

すなわち、図1においては、第1裏打ち配線15は、第1層間絶縁層13、第2層間絶縁層14に形成されたメモリセルホール中の第2埋め込み導体24、第1埋め込み導体25および回路配線26を介して能動素子12のソース領域12aに接続されている。なお、第1配線22についても、第3埋め込み導体28を介して同様に別の能動素子(図示せず)に接続されている。能動素子12は、マトリクス領域の下に配置されていてもよい。   That is, in FIG. 1, the first backing wiring 15 includes the second buried conductor 24, the first buried conductor 25, and the circuit wiring in the memory cell holes formed in the first interlayer insulating layer 13 and the second interlayer insulating layer 14. 26 is connected to the source region 12 a of the active element 12. The first wiring 22 is similarly connected to another active element (not shown) via the third buried conductor 28. The active element 12 may be disposed under the matrix region.

第1層間絶縁層13、第2層間絶縁層14、第3層間絶縁層16、第4層間絶縁層23としては、絶縁性の酸化物あるいは窒化物を用いることができる。具体的には、CVD法による酸化シリコン(SiO)やオゾン(O)とテトラエトキシシラン(TEOS)を用いてCVD法により形成したTEOS−SiO膜あるいはシリコン窒化(SiN)膜等を用いることができる。第1層間絶縁層13、第2層間絶縁層14は、配線間の寄生容量の低減のために、フッ素含有酸化物(例えば、SiOF)やカーボン含有窒化物(例えば、SiCN)あるいは有機樹脂(例えば、ポリイミド)で形成されるのが好ましい。第3層間絶縁層16として、低誘電率材料であるシリコン炭窒化物(SiCN)の膜やシリコン炭酸化物(SiOC)の膜あるいはシリコンフッ素酸化物(SiOF)の膜等を用いてもよい。As the first interlayer insulating layer 13, the second interlayer insulating layer 14, the third interlayer insulating layer 16, and the fourth interlayer insulating layer 23, an insulating oxide or nitride can be used. Specifically, a TEOS-SiO film or a silicon nitride (SiN) film formed by CVD using silicon oxide (SiO) or ozone (O 3 ) and tetraethoxysilane (TEOS) by CVD is used. it can. The first interlayer insulating layer 13 and the second interlayer insulating layer 14 are made of fluorine-containing oxide (for example, SiOF), carbon-containing nitride (for example, SiCN), or organic resin (for example, for reducing parasitic capacitance between wirings). , Polyimide). As the third interlayer insulating layer 16, a silicon carbonitride (SiCN) film, a silicon carbonate (SiOC) film, or a silicon fluorine oxide (SiOF) film, which is a low dielectric constant material, may be used.

回路配線26については、従来のようにアルミニウムで形成してもよいが、微細化しても低抵抗を実現できる銅で形成するのが好ましい。   The circuit wiring 26 may be formed of aluminum as in the prior art, but is preferably formed of copper that can realize low resistance even when miniaturized.

[製造方法]
次に、本発明の第1実施形態に係る不揮発性記憶装置の製造方法について、上述した不揮発性記憶装置10の例を用いて説明する。
[Production method]
Next, a method for manufacturing the nonvolatile memory device according to the first embodiment of the present invention will be described using the example of the nonvolatile memory device 10 described above.

図3は、能動素子12が形成された基板11上に、第2層間絶縁層14と第1裏打ち配線15と第1電極配線151と第3層間絶縁層16を形成する工程後の、不揮発性記憶装置10の断面図である。   FIG. 3 shows the non-volatile state after the step of forming the second interlayer insulating layer 14, the first backing wiring 15, the first electrode wiring 151, and the third interlayer insulating layer 16 on the substrate 11 on which the active element 12 is formed. 3 is a cross-sectional view of the storage device 10. FIG.

図4は、第3層間絶縁層16にメモリセルホール29を形成する工程後の、不揮発性記憶装置10の平面図、および3A−3A線での断面を矢印方向から見た断面図である。なお、図4の断面図を含め、図4から図9に示す断面図はすべて、各工程における不揮発性記憶装置10の3A−3A線での断面を矢印方向から見た断面図である。   FIG. 4 is a plan view of the nonvolatile memory device 10 after the step of forming the memory cell holes 29 in the third interlayer insulating layer 16 and a cross-sectional view taken along the line 3A-3A from the arrow direction. 4 to 9 including the cross-sectional view of FIG. 4 are all cross-sectional views of the nonvolatile memory device 10 taken along the line 3A-3A in each step, as viewed from the direction of the arrows.

図5は、第3層間絶縁層16の上およびメモリセルホール29の内部に第1抵抗変化層18aとなる第1抵抗変化材料層181aを形成する工程後の、不揮発性記憶装置10の断面図である。   FIG. 5 is a cross-sectional view of the nonvolatile memory device 10 after the step of forming the first variable resistance material layer 181a to be the first variable resistance layer 18a on the third interlayer insulating layer 16 and inside the memory cell hole 29. It is.

図6は、第1抵抗変化材料層181aの上に第2抵抗変化層18bとなる第2抵抗変化材料層181bを形成する工程後の、不揮発性記憶装置10の断面図である。   FIG. 6 is a cross-sectional view of the nonvolatile memory device 10 after the step of forming the second variable resistance material layer 181b to be the second variable resistance layer 18b on the first variable resistance material layer 181a.

図7は、第2抵抗変化材料層181bの上に第1電極19となる第1電極材料層191を形成する工程後の、不揮発性記憶装置10の断面図である。   FIG. 7 is a cross-sectional view of the nonvolatile memory device 10 after the step of forming the first electrode material layer 191 to be the first electrode 19 on the second variable resistance material layer 181b.

図8は、メモリセルホール29の内部の第1抵抗変化材料層181aと第2抵抗変化材料層181bと第1電極材料層191とを残し、それ以外の第1抵抗変化材料層181aと第2抵抗変化材料層181bと第1電極材料層191とをCMPにより除去する工程後の、不揮発性記憶装置10の平面図および断面図である。   8 leaves the first variable resistance material layer 181a, the second variable resistance material layer 181b, and the first electrode material layer 191 inside the memory cell hole 29, and the other first variable resistance material layer 181a and the second variable resistance material layer 181a. 6A is a plan view and a cross-sectional view of the nonvolatile memory device 10 after a step of removing the variable resistance material layer 181b and the first electrode material layer 191 by CMP. FIG.

図9は、メモリセルホール29の上部開口を完全に覆いかつその外側にはみ出すように第1配線22を積層する工程後の、不揮発性記憶装置10の平面図および断面図である。   FIG. 9 is a plan view and a cross-sectional view of the non-volatile memory device 10 after the step of laminating the first wiring 22 so as to completely cover the upper opening of the memory cell hole 29 and protrude outside thereof.

以下、図3から図9を用いて本実施形態に係る不揮発性記憶装置10の製造方法について説明する。   Hereinafter, a method for manufacturing the nonvolatile memory device 10 according to this embodiment will be described with reference to FIGS.

まず、図3に示すように、基板11上に、複数の能動素子12と、第1層間絶縁層13、第2層間絶縁層14と、第2埋め込み導体24、第1埋め込み導体25と、回路配線26と、第1裏打ち配線15と、第1電極配線151と、第3層間絶縁層16とを形成する。   First, as shown in FIG. 3, a plurality of active elements 12, a first interlayer insulating layer 13, a second interlayer insulating layer 14, a second embedded conductor 24, a first embedded conductor 25, a circuit, The wiring 26, the first backing wiring 15, the first electrode wiring 151, and the third interlayer insulating layer 16 are formed.

特に、第1裏打ち配線15および第1電極配線151は、第2層間絶縁層14中に埋め込み形成してもよい。このような構成は、例えば以下のように形成される。   In particular, the first backing wiring 15 and the first electrode wiring 151 may be embedded in the second interlayer insulating layer 14. Such a configuration is formed as follows, for example.

すなわち、第2層間絶縁層14に、一般的な半導体プロセスで用いられている技術を用いて、第1裏打ち配線15および第1電極配線151を埋め込むための溝と回路配線26に接続するためのメモリセルホールとを形成する。これらの溝は、基板の厚み方向から見て、帯状に形成される。   That is, the second interlayer insulating layer 14 is connected to the circuit wiring 26 and the groove for embedding the first backing wiring 15 and the first electrode wiring 151 by using a technique used in a general semiconductor process. A memory cell hole is formed. These grooves are formed in a band shape when viewed from the thickness direction of the substrate.

これらの溝とメモリセルホールとを形成後、第1裏打ち配線15および第1電極配線151となる導体をCVD法などにより埋め込んだ後、例えばCMPにより不要部分を除去する。   After these trenches and memory cell holes are formed, the conductors to be the first backing wiring 15 and the first electrode wiring 151 are buried by the CVD method or the like, and then unnecessary portions are removed by, for example, CMP.

図3の構造を形成するためのその他の工程には、周知の製造方法を用いることができるので、詳細な説明を省略する。   In other steps for forming the structure of FIG. 3, a well-known manufacturing method can be used, and detailed description thereof is omitted.

次に、図4に示すように、第1電極配線151を覆っている第3層間絶縁層16に、一定の配列ピッチで、底面に第1電極配線151が露出するようにメモリセルホール29を形成する。メモリセルホール29は、図4の平面図からわかるように、第1裏打ち配線15の幅より小さな外形としている。なお、図ではメモリセルホール29を四角形状としているが、円形状でも楕円形状でも、あるいはさらに他の形状であってもよい。   Next, as shown in FIG. 4, the memory cell holes 29 are formed in the third interlayer insulating layer 16 covering the first electrode wiring 151 at a constant arrangement pitch so that the first electrode wiring 151 is exposed on the bottom surface. Form. As can be seen from the plan view of FIG. 4, the memory cell hole 29 has an outer shape smaller than the width of the first backing wiring 15. In the figure, the memory cell hole 29 is rectangular, but it may be circular, elliptical, or another shape.

メモリセルホール29は、一般的な半導体プロセスにより形成することができるので、詳細な説明は省略する。   Since the memory cell hole 29 can be formed by a general semiconductor process, detailed description thereof is omitted.

次に、図5に示すように、メモリセルホール29が形成された第3層間絶縁層16の上に、第1抵抗変化層18aとなる第1抵抗変化材料層181a(第1堆積膜)を形成する。本実施形態では、タンタル酸化物を、メモリセルホール29の内部(側壁および底部)および第3層間絶縁層16の上に、CVD法により堆積することにより、第1抵抗変化材料層181aが形成される。   Next, as shown in FIG. 5, a first variable resistance material layer 181a (first deposited film) to be the first variable resistance layer 18a is formed on the third interlayer insulating layer 16 in which the memory cell holes 29 are formed. Form. In this embodiment, the first variable resistance material layer 181a is formed by depositing tantalum oxide on the inside (side wall and bottom) of the memory cell hole 29 and on the third interlayer insulating layer 16 by the CVD method. The

本実施形態では、第1抵抗変化材料層181aの形成の一手法として、CVD法を用いる。第1抵抗変化材料層181aの形成には、他の成膜方法として、スパッタ法や、特に微細ホールへのコンフォーマルな成膜に適したALD法などを用いてもよい。このプロセスにより、第1抵抗変化材料層181aは、メモリセルホール29の内部(側壁および底部)において、ほぼ均一な厚さでコンフォーマルに形成される。   In this embodiment, a CVD method is used as a method for forming the first variable resistance material layer 181a. For the formation of the first variable resistance material layer 181a, as another film formation method, a sputtering method or an ALD method suitable for a conformal film formation in a fine hole may be used. By this process, the first variable resistance material layer 181a is conformally formed with a substantially uniform thickness inside the memory cell hole 29 (side wall and bottom).

ソースガスとしては、例えば(化1)に示すターシャリーブチルイミドトリスジエチルアミドタンタル((CHCNTa[N(C、以下、TBTDETと記載する)が用いられうる。As the source gas, for example, tertiary butylimide trisdiethylamide tantalum ((CH 3 ) 3 CNTa [N (C 2 H 5 ) 2 ] 3 , hereinafter referred to as TBTDET) shown in (Chemical Formula 1) can be used.

Figure 0005000027
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反応性ガスとしては、例えばオゾン(O)ガスが用いられる。成膜終了後は、窒素(N)ガスをパージガスとして用いる。ただし、ガスの種類は以上のものに限定されない。For example, ozone (O 3 ) gas is used as the reactive gas. After film formation, nitrogen (N 2 ) gas is used as a purge gas. However, the kind of gas is not limited to the above.

本実施形態における第1抵抗変化材料層181aを形成するための方法では、まず、原料容器に抵抗変化層の原料(前駆体)であるTBTDETを充填する。成膜チャンバの内部には、ソースガスの自己分解反応が生じる温度(例えば325℃)に加熱した基板を保持する。なお、基板の加熱温度としては、325℃、350℃、400℃および440℃の複数の温度条件での実験を実施した。   In the method for forming the first resistance change material layer 181a in the present embodiment, first, the material container is filled with TBTDET which is a material (precursor) of the resistance change layer. A substrate heated to a temperature (for example, 325 ° C.) at which self-decomposition reaction of the source gas occurs is held inside the film formation chamber. Note that experiments were performed under a plurality of temperature conditions of 325 ° C., 350 ° C., 400 ° C., and 440 ° C. as the substrate heating temperature.

原料容器のTBTDETを100℃に加熱し、これをキャリアガスである窒素ガスでバブリング(Bubbling)することによりソースガスを発生させ、成膜チャンバにソースガスを導入する。同時に反応性ガスとしてオゾナイザで生成したOガスを成膜チャンバに導入する。これにより、TBTDETを酸化して、Ta酸化物の層を形成するとともに、TBTDETに含まれる配位子をCO等の副生成物へと酸化させて除去する。The TBTDET of the raw material container is heated to 100 ° C., and this is bubbled with nitrogen gas as a carrier gas to generate a source gas, and the source gas is introduced into the deposition chamber. At the same time, O 3 gas generated by an ozonizer as a reactive gas is introduced into the film forming chamber. Thereby, TBTDET is oxidized to form a Ta oxide layer, and a ligand contained in TBTDET is oxidized to a by-product such as CO 2 and removed.

所望の膜厚のTa酸化物を形成した後は、チャンバに窒素ガスを導入してチャンバのガスをパージし、余分な反応性ガスおよび副生成物を除去する。   After the desired thickness of Ta oxide is formed, nitrogen gas is introduced into the chamber and the chamber gas is purged to remove excess reactive gas and by-products.

次に、図6に示すように、メモリセルホール29の側壁および底部、並びに第3層間絶縁層16上に形成された第1抵抗変化材料層181aの上に、第2抵抗変化層18bとなる第2抵抗変化材料層181b(第2堆積膜)を形成する。   Next, as shown in FIG. 6, the second variable resistance layer 18 b is formed on the side wall and bottom of the memory cell hole 29 and on the first variable resistance material layer 181 a formed on the third interlayer insulating layer 16. A second variable resistance material layer 181b (second deposited film) is formed.

本実施形態では、タンタル酸窒化物を、第1抵抗変化材料層181aが形成されたメモリセルホール29’の内部(側壁および底部)および第3層間絶縁層16の上の第1抵抗変化材料層181aの上に、CVD法により堆積することにより、第2抵抗変化材料層181bが形成される。   In the present embodiment, tantalum oxynitride is used as the first variable resistance material layer on the inside (side wall and bottom) of the memory cell hole 29 ′ in which the first variable resistance material layer 181 a is formed and on the third interlayer insulating layer 16. A second variable resistance material layer 181b is formed on the layer 181a by deposition by a CVD method.

本実施形態では、第2抵抗変化材料層181bである酸窒素不足型金属酸窒化物薄膜の形成方法の一例として、CVD法と酸化処理の連続プロセスを用いる。   In the present embodiment, a continuous process of a CVD method and an oxidation process is used as an example of a method for forming the oxynitrogen-deficient metal oxynitride thin film that is the second variable resistance material layer 181b.

当該形成方法は、具体的には例えば、遷移金属の原子を含有するソースガスと反応性ガス導入する第1工程と、第1工程後にソースガスと反応性ガスをパージする第2工程と、第2工程後にOやOなどの酸化性の反応性ガスを導入する第3工程から構成される。Specifically, the forming method includes, for example, a first step of introducing a source gas containing a transition metal atom and a reactive gas, a second step of purging the source gas and the reactive gas after the first step, It consists of a third step in which an oxidizing reactive gas such as O 3 or O 2 is introduced after two steps.

第1工程では窒化性の反応性ガスを用いて、最初に金属窒化物薄膜を形成する。反応性ガス種が異なることを除き成膜温度などの条件は、前記第1抵抗変化材料層181aの形成と同様である。よって、両者で共通する部分については説明を省略する。   In the first step, a metal nitride thin film is first formed using a nitriding reactive gas. Except that the reactive gas species are different, conditions such as the film formation temperature are the same as the formation of the first variable resistance material layer 181a. Therefore, description of the parts common to both is omitted.

第3工程では、基板温度を、第1、第2工程と同じ例えば350℃に保持したまま、OやOなどの酸化性の反応性ガスを一定時間導入して、金属窒化物薄膜中の窒素を酸素に置換することにより、金属酸窒化物薄膜を形成する。In the third step, an oxidizing reactive gas such as O 3 or O 2 is introduced for a certain period of time while maintaining the substrate temperature at 350 ° C., which is the same as that in the first and second steps. The metal oxynitride thin film is formed by substituting nitrogen with oxygen.

なお、上記の第1工程、第2工程、および第3工程を1度だけではなく、複数回繰り返すことにより、金属酸窒化物の組成を制御することが可能である。   Note that the composition of the metal oxynitride can be controlled by repeating the first step, the second step, and the third step not only once but a plurality of times.

なお、抵抗変化層を構成する遷移金属酸化物および遷移金属酸窒化物として、ハフニウム、ジルコニウム、ニッケル、チタンを母体金属とする酸化物および酸窒化物を用いた場合でも、層が形成される原理から考えれば、タンタル酸化物およびタンタル酸窒化物の場合と同様に、酸素含有率の異なる金属酸化物を形成することが可能であると推察される。   The principle that the layer is formed even when an oxide or oxynitride containing hafnium, zirconium, nickel, or titanium as a base metal is used as the transition metal oxide or transition metal oxynitride constituting the resistance change layer. In view of the above, it is presumed that metal oxides having different oxygen contents can be formed as in the case of tantalum oxide and tantalum oxynitride.

この場合の抵抗変化層の原料(前駆体)としては、塩化ジルコニウム[ZrCl]、テトラ(エチルメチルアミノ)ハフニウム[Hf(NCH]、ニッケル1−ジメチルアミノ−2メチル−2ブタノレート[Ni(C16NO)]、テトラエトキシチタン[Ti(OC]などを用いることができる。The raw material (precursor) of the resistance change layer in this case is zirconium chloride [ZrCl 4 ], tetra (ethylmethylamino) hafnium [Hf (NCH 3 C 2 H 5 ) 4 ], nickel 1-dimethylamino-2methyl -2 butanolate [Ni (C 7 H 16 NO)], tetraethoxy titanium [Ti (OC 3 H 7 ) 4 ] and the like can be used.

その後、図7に示すように第1電極材料層191を第2抵抗変化材料層181bの上に形成する。   Thereafter, as shown in FIG. 7, the first electrode material layer 191 is formed on the second variable resistance material layer 181b.

本実施形態では、タンタル窒化物(TaN)を、第2抵抗変化材料層181bが形成されたメモリセルホール29”の内部(側壁および底部)および第3層間絶縁層16の上の第1抵抗変化材料層181aの上の第2抵抗変化材料層181bの上に、例えばALD法やCVD法により堆積することにより、第1電極材料層191が形成される。   In the present embodiment, tantalum nitride (TaN) is used for the first resistance change inside the memory cell hole 29 ″ (side wall and bottom) in which the second variable resistance material layer 181b is formed and on the third interlayer insulating layer 16. A first electrode material layer 191 is formed on the second variable resistance material layer 181b on the material layer 181a by depositing, for example, by an ALD method or a CVD method.

CVD法の具体的な方法は第1抵抗変化材料層181aあるいは第2抵抗変化材料層181bにおけるものと同様であるので詳細な説明を省略する。原料(前駆体)としては、TBTDETやTaCl、Ta(OCなどを用いることができる。反応性ガスとしては、窒化性ガスを用いることができる。Since the specific method of the CVD method is the same as that in the first variable resistance material layer 181a or the second variable resistance material layer 181b, detailed description thereof is omitted. As a raw material (precursor), or the like can be used TBTDET or TaCl 5, Ta (OC 2 H 5) 5. A nitriding gas can be used as the reactive gas.

次に、図8に示すように、CMPプロセスを用いて、第1電極材料層191および第2抵抗変化材料層181bおよび第1抵抗変化材料層181aの、第3層間絶縁層16の表面を覆う部分と、メモリセルホール29の上部開口よりも上にある部分(第3層間絶縁層16の上端面と比べて基板からの高さがより高い部分)を除去する。これによりメモリセルホール29中に第1抵抗変化層18aと、第2抵抗変化層18bと、第1電極19とを埋め込み形成する。   Next, as shown in FIG. 8, the surface of the third interlayer insulating layer 16 of the first electrode material layer 191, the second variable resistance material layer 181b, and the first variable resistance material layer 181a is covered using a CMP process. The portion and the portion above the upper opening of the memory cell hole 29 (the portion whose height from the substrate is higher than the upper end surface of the third interlayer insulating layer 16) are removed. Thus, the first variable resistance layer 18a, the second variable resistance layer 18b, and the first electrode 19 are embedded in the memory cell hole 29.

次に、図9に示すように、第1電極19に接続するように第1配線22を形成する。具体的な形成方法は、周知の技術を用いることができるので詳細な説明を省略する。   Next, as shown in FIG. 9, the first wiring 22 is formed so as to be connected to the first electrode 19. As a specific forming method, a well-known technique can be used, and thus detailed description thereof is omitted.

第1配線22は第3層間絶縁層16の上に、メモリセルホール29を完全に覆うように、基板の厚み方向から見て、少なくともメモリセルホール29の開口より大きな形状(面積)で、かつ第1裏打ち配線15および第1電極配線151と交差する方向に帯状に形成する。第1配線22は、第1抵抗変化型素子17がマトリクス状に形成された領域外にまで延びるように形成される。第1配線22と同時に第3埋め込み導体28も同時に形成し、この第3埋め込み導体28を介して回路配線(図示せず)に接続し、図示しない位置に設けられている能動素子に電気的に接続する。   The first wiring 22 has a shape (area) at least larger than the opening of the memory cell hole 29 when viewed from the thickness direction of the substrate so as to completely cover the memory cell hole 29 on the third interlayer insulating layer 16. The first backing wiring 15 and the first electrode wiring 151 are formed in a strip shape in a direction intersecting with the first backing wiring 15 and the first electrode wiring 151. The first wiring 22 is formed so as to extend outside the region where the first variable resistance element 17 is formed in a matrix. A third buried conductor 28 is formed simultaneously with the first wiring 22, and is connected to a circuit wiring (not shown) via the third buried conductor 28, and electrically connected to an active element provided at a position not shown. Connecting.

さらに第3層間絶縁層16と第1配線22とを覆うように第4層間絶縁層23を形成することで、図1に示すような不揮発性記憶装置が得られる。   Further, by forming the fourth interlayer insulating layer 23 so as to cover the third interlayer insulating layer 16 and the first wiring 22, a nonvolatile memory device as shown in FIG. 1 can be obtained.

[酸窒素不足型タンタル酸窒化物層の特性]
次に、第2抵抗変化材料層181bとして形成された酸窒素不足型タンタル酸窒化物薄膜の組成と比抵抗の関係について説明する。
[Characteristics of oxynitrogen-deficient tantalum oxynitride layer]
Next, the relationship between the composition and specific resistance of the oxynitrogen-deficient tantalum oxynitride thin film formed as the second variable resistance material layer 181b will be described.

図10に、CVD法と酸化処理の連続プロセスにより形成した酸窒素不足型タンタル酸窒化物薄膜(TBTDET由来の残留Cが含まれている)に占めるO+N(酸素原子数と窒素原子数の総和)のatm%値と酸窒素不足型タンタル酸窒化物薄膜の比抵抗(specific electrical resistance)の関係を示す。組成分析は、ラザフォード後方散乱(RBS)法により行った。上述した方法を用いて形成した酸窒素不足型タンタル酸窒化物薄膜中に含まれる酸素含有量は、CVD法による成膜後の酸化処理条件(酸化性ガス流量、時間)に依存すると考えられる。   FIG. 10 shows O + N (total number of oxygen atoms and nitrogen atoms) in the oxynitrogen-deficient tantalum oxynitride thin film (containing residual C derived from TBTDET) formed by a continuous process of CVD and oxidation. 2 shows the relationship between the atm% value and the specific resistance of the oxynitride-deficient tantalum oxynitride thin film. The composition analysis was performed by Rutherford backscattering (RBS) method. The oxygen content contained in the oxynitrogen-deficient tantalum oxynitride thin film formed using the above-described method is considered to depend on the oxidation treatment conditions (oxidizing gas flow rate, time) after film formation by the CVD method.

なお、RBS法により分析した酸素及び窒素の組成は、atm%単位で±4%と、比較的大きな誤差を含む。このため、O+Nのatm%値にも誤差が生じる。RBS法による誤差を考慮すると、O+Nのatm%値は50から70の範囲にある。また、図10には、比較例としてスパッタ法により形成した酸化タンタル膜(即ち、Nのatm%値=0に相当)に占めるOのatm%値と比抵抗の関係を併せてプロットしている。   The composition of oxygen and nitrogen analyzed by the RBS method includes a relatively large error of ± 4% in units of atm%. For this reason, an error also occurs in the atm% value of O + N. Considering the error due to the RBS method, the atm% value of O + N is in the range of 50 to 70. FIG. 10 also plots the relationship between the atm% value of O and the specific resistance in a tantalum oxide film formed by sputtering as a comparative example (that is, equivalent to N atm% value = 0). .

図10から、膜組成と比抵抗との相関は、CVD法で成膜された酸窒素不足型タンタル酸窒化物薄膜と、スパッタ法で形成されたタンタル酸化物膜とで同様の傾向があり、O+Nのatm%値の増加に従い、膜の比抵抗値は増加することが確認できる。   From FIG. 10, the correlation between the film composition and the specific resistance has the same tendency between the oxynitride-deficient tantalum oxynitride thin film formed by the CVD method and the tantalum oxide film formed by the sputtering method. It can be confirmed that the specific resistance value of the film increases as the atm% value of O + N increases.

図10の実線は、基板温度400℃で膜厚50nmに形成した第2抵抗変化層であるタンタル酸窒化物層のシート抵抗値を、4端子測定法により測定し、比抵抗を求めた結果を示す。   The solid line in FIG. 10 shows the results of measuring the sheet resistance value of the tantalum oxynitride layer, which is the second variable resistance layer formed at a substrate temperature of 400 ° C. and a film thickness of 50 nm, by the four-terminal measurement method, and obtaining the specific resistance. Show.

ここで、a点は、CVD法による成膜後、酸化処理を行う前、組成がTa/O/N/C=33.6/0/54.5/11.9(atm%)と分析された試料の比抵抗を示す。なお、Oのatm%=0なる分析結果については、酸化処理を行う前とは言えOが全く含有されていないことは考えにくいので、4atm%未満のOに対して分析感度が低いための誤差と見られる。   Here, the point a is analyzed as Ta / O / N / C = 33.6 / 0 / 54.5 / 11.9 (atm%) after film formation by CVD and before oxidation treatment. The specific resistance of each sample is shown. Note that the analysis result of O atm% = 0 is not considered to contain O at all even though it is before the oxidation treatment, so an error due to low analytical sensitivity for O of less than 4 atm%. It is seen.

b点は、組成がTa/O/N/C=32.4/4.7/54.3/8.6(atm%)と分析された(TaO0.151.68と表記される)試料の比抵抗を示し、c点は、組成がTa/O/N/C=29.9/7.4/54.2/8.5(atm%)と分析された(TaO0.251.81と表記される)試料の比抵抗を示す。The point b was analyzed as Ta / O / N / C = 32.4 / 4.7 / 54.3 / 8.6 (atm%) (TaO 0.15 N 1.68 ). ) Indicates the specific resistance of the sample, and the point c was analyzed as the composition Ta / O / N / C = 29.9 / 7.4 / 54.2 / 8.5 (atm%) (TaO 0.25 N is the specific resistance of the sample (denoted as 1.81 ).

図10の一点鎖線で示されるタンタル酸化物材料層の比抵抗は、断面SEMと蛍光X線により測定した膜厚と、4端子測定法により測定したシート抵抗値から算出した。   The specific resistance of the tantalum oxide material layer indicated by the one-dot chain line in FIG. 10 was calculated from the film thickness measured by the cross-sectional SEM and fluorescent X-ray and the sheet resistance value measured by the four-terminal measurement method.

次に、本願の第1抵抗変化層と第2抵抗変化層である酸窒化物層の積層構造のメモリとしての動作例、すなわち情報の書き込み/読み出しをする場合の動作例を、図11に示すプレーナー型素子により確認した。   Next, FIG. 11 shows an operation example as a memory having a laminated structure of the first resistance change layer and the second resistance change layer of the present application, that is, an operation example in the case of writing / reading information. It confirmed with the planar type | mold element.

特性確認用のプレーナー型素子は、SiN膜(膜厚100nm)が形成されたシリコン基板200上に、TaNで構成した下部電極205、CVD法で形成したTaO膜(膜厚30nm)である第2抵抗変化層206b、スパッタ法で形成したTaO膜(膜厚5nm)である第1抵抗変化層206a、スパッタ法で形成したIr膜である上部電極(膜厚50nm)207を順次積層することにより作製されている。第1抵抗変化層206aと第2抵抗変化層206bとが抵抗変化層206を構成する。下部電極205および上部電極207は、コンタクトプラグ204、210を介して、配線201、211にそれぞれ接続される。Planar element for characterization is on the silicon substrate 200 SiN film (thickness 100 nm) was formed, by TaO x N y film formed by the lower electrode 205, CVD method configured in TaN (film thickness 30 nm) there second variable resistance layer 206 b, TaO z film laminated first variable resistance layer 206a is (thickness 5 nm), an upper electrode (thickness 50 nm) 207 is Ir film formed by a sputtering method successively formed by sputtering It is made by doing. The first variable resistance layer 206a and the second variable resistance layer 206b constitute the variable resistance layer 206. The lower electrode 205 and the upper electrode 207 are connected to wirings 201 and 211 via contact plugs 204 and 210, respectively.

このような方法に従って、基板温度325℃で形成され、組成がx=0.31、y=1.41と分析されたTaO膜を含む素子A、基板温度400℃で形成され、組成がx=0.15、y=1.68と分析されたTaO膜(図10のb点の試料に相当)を含む素子B、および、基板温度400℃で形成され、組成がx=0.25、y=1.81と分析されたTaO膜(図10のc点の試料に相当)を含む素子Cを作製し、それぞれの素子の動作特性を評価した。According to such a method, a device A including a TaO x N y film formed at a substrate temperature of 325 ° C. and analyzed to have a composition of x = 0.31 and y = 1.41 is formed at a substrate temperature of 400 ° C. Is formed at a substrate temperature of 400 ° C. and a device B including a TaO x N y film (corresponding to the sample at point b in FIG. 10) analyzed as x = 0.15 and y = 1.68. A device C including a TaO x N y film (corresponding to a sample at point c in FIG. 10) analyzed to be = 0.25 and y = 1.81 was manufactured, and operation characteristics of each device were evaluated.

図12は、素子Aのパルス印加時の抵抗変化特性を示す図である。図12に示すように、極性が異なる2種類の電圧パルスを印加することで、素子Aが高抵抗状態と低抵抗状態に変化する。すなわち、下部電極205を基準として上部電極207に負の電圧パルス(電圧−1.5V、パルス幅100ns)を印加した場合、素子Aは、高抵抗状態(抵抗値約150000Ω)から低抵抗状態(抵抗値約10000Ω)に変化する。他方、正の電圧パルス(電圧2.4V、パルス幅100ns)を上部電極に印加した場合、素子Aは、低抵抗状態から高抵抗状態へ増加する。   FIG. 12 is a diagram showing a resistance change characteristic when the pulse of the element A is applied. As shown in FIG. 12, by applying two types of voltage pulses having different polarities, the element A changes between a high resistance state and a low resistance state. That is, when a negative voltage pulse (voltage -1.5 V, pulse width 100 ns) is applied to the upper electrode 207 with the lower electrode 205 as a reference, the element A changes from a high resistance state (resistance value of about 150,000 Ω) to a low resistance state ( The resistance value changes to about 10000Ω. On the other hand, when a positive voltage pulse (voltage 2.4 V, pulse width 100 ns) is applied to the upper electrode, the element A increases from the low resistance state to the high resistance state.

図13、図14は、それぞれ、図12と同様条件での電圧パルス印加による、素子B、素子Cの抵抗変化特性を示す図である。図13と図14とを比較すれば、同じ400℃の基板温度にてタンタル酸窒化薄膜が形成された素子Bと素子Cとの間では、膜中の酸素と窒素の合計の比率が高く、比抵抗の値がより高い素子Cのほうが、比抵抗の値がより低い素子Bよりも抵抗変化特性がやや悪い(高抵抗状態と低抵抗状態の抵抗比が小さい)ことが分かる。   13 and 14 are diagrams showing resistance change characteristics of the element B and the element C, respectively, when a voltage pulse is applied under the same conditions as in FIG. Comparing FIG. 13 and FIG. 14, between the element B and the element C in which the tantalum oxynitride thin film was formed at the same substrate temperature of 400 ° C., the total ratio of oxygen and nitrogen in the film was high, It can be seen that the resistance change characteristic of the element C having a higher specific resistance value is slightly worse than that of the element B having a lower specific resistance value (the resistance ratio between the high resistance state and the low resistance state is smaller).

ここで、図11に示す下部電極205を基準としたときに、上部電極207に高い電圧を印加する場合を正の電圧の印加とし、下部電極205を基準としたときに、上部電極207に低い電圧を印加する場合を負電圧の印加とする。上述のように、いずれの素子も、2.4V以下の電圧で抵抗変化動作が可能である。   Here, when the lower electrode 205 shown in FIG. 11 is used as a reference, a high voltage is applied to the upper electrode 207, and a positive voltage is applied. When the lower electrode 205 is used as a reference, the upper electrode 207 is lower. When applying a voltage, the negative voltage is applied. As described above, any element can perform resistance change operation at a voltage of 2.4 V or less.

これは、抵抗変化動作時に印加した電圧パルスは、第1抵抗変化層であるタンタル酸化物層と第2抵抗変化層である酸窒素不足型タンタル酸窒化物層の両方に分配されるが、このうち抵抗変化動作に寄与するのは、酸素が出入りするタンタル酸化物層に分配される成分である。タンタル酸化物層の抵抗率を酸窒素不足型タンタル酸化物層の抵抗率より高くすることで、タンタル酸化物層に分配される電圧パルスの電圧成分が大きくなるために、不揮発性記憶装置を低電圧で動作させることが可能となると考えられる。   This is because the voltage pulse applied during the resistance change operation is distributed to both the tantalum oxide layer which is the first resistance change layer and the oxynitrogen deficient tantalum oxynitride layer which is the second resistance change layer. Among them, the component that contributes to the resistance change operation is a component distributed to the tantalum oxide layer through which oxygen enters and exits. By making the resistivity of the tantalum oxide layer higher than the resistivity of the oxynitride-deficient tantalum oxide layer, the voltage component of the voltage pulse distributed to the tantalum oxide layer is increased. It will be possible to operate with voltage.

この考え方を確かめるために、第2抵抗変化層の製法または材料が異なる3種類のプレーナー型素子を複数個作製し、種類ごとに49個の素子の初期抵抗値を測定した。測定された初期抵抗値の中央値を表1に示す。   In order to confirm this concept, a plurality of three types of planar elements having different manufacturing methods or materials for the second variable resistance layer were prepared, and initial resistance values of 49 elements were measured for each type. Table 1 shows the measured median initial resistance values.

酸素濃度が高い第1抵抗変化層は、何れの種類でも、スパッタ法で形成された膜厚5nmのTaである。また、酸素濃度が低い酸窒化物である第2抵抗変化層は、種類ごとに、スパッタ法で形成された膜厚50nmのTaO、CVD法で形成された膜厚50nmのTaO、およびCVD法で形成された膜厚50nmのTaOのいずれかである。The first variable resistance layer having a high oxygen concentration is Ta 2 O 5 having a thickness of 5 nm formed by sputtering, regardless of the type. Further, the second variable resistance layer oxygen concentration is low oxynitride, for each type of thickness 50nm formed by sputtering TaO x, TaO x film thickness 50nm formed by CVD, and CVD One of TaO x N y having a film thickness of 50 nm formed by the method.

表1からわかるように、第2抵抗変化層を酸窒化物にすることにより、初期抵抗値の中央値が大きく増加している。そのような構成では、タンタル酸窒化物はTaNと同様に安定な化合物でバリア性が高いこと、金属酸窒化物は金属窒化物中の窒素原子の一部を酸素原子で置換しているために界面からの酸素原子の拡散に対しては置換サイトを抑制する効果があることにより、第1抵抗変化層から第2抵抗変化層への酸素拡散が抑制される。この結果、第1抵抗変化層の抵抗値が低下しないと推察される。   As can be seen from Table 1, when the second resistance change layer is made of oxynitride, the median initial resistance value is greatly increased. In such a configuration, tantalum oxynitride is a stable compound similar to TaN and has a high barrier property, and metal oxynitride substitutes part of nitrogen atoms in metal nitride with oxygen atoms. Oxygen diffusion from the first resistance change layer to the second resistance change layer is suppressed due to the effect of suppressing substitution sites for the diffusion of oxygen atoms from the interface. As a result, it is presumed that the resistance value of the first variable resistance layer does not decrease.

Figure 0005000027
Figure 0005000027

(第2実施形態)
図15は、本発明の第2実施形態の不揮発性記憶装置30の構成を説明するための断面図である。この不揮発性記憶装置30は、図1に示す第1実施形態の不揮発性記憶装置10を基本構成としており、層間絶縁層のメモリセルホール中に埋め込まれた抵抗変化層と、第1電極と第1配線の間に非オーミック性素子を構成する層を積層した構成からなる。このような構成にすることにより、他素子からの回り込み電流を制限することが可能となり、不揮発性記憶素子の動作信頼性が向上する。
(Second Embodiment)
FIG. 15 is a cross-sectional view for explaining the configuration of the nonvolatile memory device 30 according to the second embodiment of the present invention. The nonvolatile memory device 30 has the basic configuration of the nonvolatile memory device 10 according to the first embodiment shown in FIG. 1, and includes a resistance change layer embedded in a memory cell hole of an interlayer insulating layer, a first electrode, and a first electrode. It has a configuration in which layers constituting non-ohmic elements are stacked between one wiring. With such a configuration, a sneak current from another element can be limited, and the operation reliability of the nonvolatile memory element is improved.

第1実施形態との製造方法の差異は、図9で説明した工程において、第1電極19と第1配線22の間に第1電流制御層21を設けることのみである。   The only difference in the manufacturing method from the first embodiment is that the first current control layer 21 is provided between the first electrode 19 and the first wiring 22 in the process described with reference to FIG.

第1電流制御層21が絶縁体の場合には第1非オーミック性素子20はMIMダイオードとなり、第1電流制御層21が半導体の場合には第1非オーミック性素子20はMSMダイオードとなる。   When the first current control layer 21 is an insulator, the first non-ohmic element 20 is an MIM diode, and when the first current control layer 21 is a semiconductor, the first non-ohmic element 20 is an MSM diode.

第1電流制御層21の材料に絶縁体を用いる場合には、窒化シリコン(Si)を用いることができる。第1電流制御層21の材料に半導体を用いる場合にはSiより窒素含有量が少ない窒素不足型のシリコン窒化物を用いることができる。When an insulator is used as the material for the first current control layer 21, silicon nitride (Si 3 N 4 ) can be used. When a semiconductor is used as the material of the first current control layer 21, a nitrogen-deficient silicon nitride having a nitrogen content lower than that of Si 3 N 4 can be used.

窒素不足型シリコン窒化膜の成膜には、例えば、多結晶シリコンのターゲットをアルゴンと窒素との混合ガス雰囲気の下でスパッタする手法、いわゆる、反応性スパッタ法を用いることができる。典型的な成膜条件として、圧力を0.08〜2Paとし、基板温度を20〜300℃とし、窒素ガスの流量比(アルゴンと窒素との総流量に対する窒素の流量の比率)を0〜40%とし、DCパワーを100〜1300Wとした上で、シリコン窒化膜の厚さが5〜20nmとなるように成膜時間を調節する態様を採用することができる。   For forming the nitrogen-deficient silicon nitride film, for example, a method of sputtering a polycrystalline silicon target in a mixed gas atmosphere of argon and nitrogen, so-called reactive sputtering method, can be used. As typical film forming conditions, the pressure is 0.08 to 2 Pa, the substrate temperature is 20 to 300 ° C., and the flow rate ratio of nitrogen gas (ratio of the flow rate of nitrogen to the total flow rate of argon and nitrogen) is 0 to 40. %, And the DC power is 100 to 1300 W, and the film formation time can be adjusted so that the thickness of the silicon nitride film is 5 to 20 nm.

タンタル窒化物の仕事関数は4.6eVであり、シリコンの電子親和力3.8eVより十分高いので、タンタル窒化物を第1配線22に用いた場合、第1電流制御層21と第1配線22との界面でショットキーバリアが形成される。第1配線22と第1電極19がともにタンタル窒化物で構成されている場合、第1非オーミック性素子20は双方向のMIMダイオードあるいは双方向のMSMダイオードとして機能する。   Since the work function of tantalum nitride is 4.6 eV, which is sufficiently higher than the electron affinity of silicon 3.8 eV, when tantalum nitride is used for the first wiring 22, the first current control layer 21, the first wiring 22, A Schottky barrier is formed at the interface. When both the first wiring 22 and the first electrode 19 are made of tantalum nitride, the first non-ohmic element 20 functions as a bidirectional MIM diode or a bidirectional MSM diode.

本実施形態の場合には、図15に示すように第1電極19はメモリセルホール29の中(上部開口より下側)に完全に埋め込まれており、表面を非常に平滑に加工することができる。このような平滑な面上に第1電流制御層21を形成した場合には、層が薄い場合でも緻密で連続した層を得ることができ、第1電流制御層21の耐圧性(比較的高い電圧を印加しても絶縁破壊が生じない特性)を適切に確保できる。   In the case of this embodiment, as shown in FIG. 15, the first electrode 19 is completely embedded in the memory cell hole 29 (below the upper opening), and the surface can be processed very smoothly. it can. When the first current control layer 21 is formed on such a smooth surface, a dense and continuous layer can be obtained even when the layer is thin, and the withstand voltage (relatively high) of the first current control layer 21 can be obtained. It is possible to appropriately ensure the characteristic that dielectric breakdown does not occur even when a voltage is applied.

第1電極19は第1電流制御層21により上端面の全面が覆われるので、全ての層がメモリセルホールの中に埋め込まれた従来の非オーミック性素子で懸念される、第1電流制御層21の外周領域で第1電極19と第1配線22とが第1電流制御層21を介在せずに直接接触して生じる電流のリークが発生しない。   Since the first electrode 19 is entirely covered with the first current control layer 21, the first current control layer is a concern for the conventional non-ohmic element in which all layers are embedded in the memory cell holes. In the outer peripheral region 21, current leakage caused by the direct contact between the first electrode 19 and the first wiring 22 without the first current control layer 21 does not occur.

第1配線22は、基板の厚み方向から見て第1電極19の外周より外側にまで設けられているので、第1非オーミック性素子20を流れる電流のパスは、基板の厚み方向から見て、第1電極19の外周から外側に広がるように形成される。   Since the first wiring 22 is provided outside the outer periphery of the first electrode 19 when viewed from the thickness direction of the substrate, the path of the current flowing through the first non-ohmic element 20 is viewed from the thickness direction of the substrate. The first electrode 19 is formed so as to spread outward from the outer periphery.

この場合、メモリセルホール29中の第1電極19から第1電流制御層21に向かって、電界による電気力線が水平方向に広がるように形成されるので、第1非オーミック性素子20(MIMダイオードまたはMSMダイオード)の実効面積は、全ての層がメモリセルホールの中に埋め込まれた従来の非オーミック性素子における実効面積よりも大きくなる。   In this case, since the electric lines of force due to the electric field spread in the horizontal direction from the first electrode 19 in the memory cell hole 29 toward the first current control layer 21, the first non-ohmic element 20 (MIM The effective area of the diode or the MSM diode) is larger than that of a conventional non-ohmic element in which all layers are embedded in the memory cell hole.

したがって、従来よりも電流容量が大きく、かつ特性のばらつきの小さいMIMダイオードまたはMSMダイオードからなる第1非オーミック性素子20を得ることができる。   Therefore, it is possible to obtain the first non-ohmic element 20 made of an MIM diode or an MSM diode having a larger current capacity than that of the prior art and a small variation in characteristics.

(第2実施形態の変形例)
次に、第1非オーミック性素子を有する不揮発性記憶装置の変形例について説明する。
(Modification of the second embodiment)
Next, a modification of the nonvolatile memory device having the first non-ohmic element will be described.

図16は、本発明の第2実施形態の変形例に係る不揮発性記憶装置31の要部の構成の一例を示す断面図である。図16における各構成要素には、図15の不揮発性記憶装置30において同一の機能を有する構成要素と同一の符号が付されている。   FIG. 16 is a cross-sectional view showing an example of the configuration of the main part of a nonvolatile memory device 31 according to a modification of the second embodiment of the present invention. Each component in FIG. 16 is assigned the same reference numeral as a component having the same function in the nonvolatile memory device 30 in FIG.

図16に示されるように、不揮発性記憶装置31は、不揮発性記憶装置30と比べて、第2抵抗変化層18bおよび第1電極19の形状が異なり、第1電極19がメモリセルホール29の中に完全に埋め込まれている点が共通している。   As illustrated in FIG. 16, the nonvolatile memory device 31 is different from the nonvolatile memory device 30 in the shapes of the second resistance change layer 18 b and the first electrode 19, and the first electrode 19 is the memory cell hole 29. It is common to be completely embedded inside.

不揮発性記憶装置31は、例えば、次のような製造方法に従って形成してもよい。   The nonvolatile memory device 31 may be formed, for example, according to the following manufacturing method.

まず、第1実施形態において図3から図5で説明した工程と同様の工程を実行することにより、図5に示されるような、第3層間絶縁層16の上およびメモリセルホール29の内部に第1抵抗変化材料層181aが形成された構造を作成する。その後、第2抵抗変化材料層181bを、第1抵抗変化材料層181aが形成されたメモリセルホール29’を充填するように、CVD法で形成する。   First, in the first embodiment, a process similar to the process described with reference to FIGS. 3 to 5 is performed, so that the process is performed on the third interlayer insulating layer 16 and inside the memory cell hole 29 as shown in FIG. A structure in which the first variable resistance material layer 181a is formed is created. Thereafter, the second variable resistance material layer 181b is formed by a CVD method so as to fill the memory cell hole 29 'in which the first variable resistance material layer 181a is formed.

次に、第1電極材料層191を形成する前に、第2抵抗変化材料層181bおよび第1抵抗変化材料層181aの、第3層間絶縁層16の表面を覆う部分と、メモリセルホール29の上部開口よりも上にある部分(第3層間絶縁層16の上端面と比べて基板からの高さがより高い部分)を、CMPプロセスを用いて除去する。   Next, before forming the first electrode material layer 191, a portion of the second variable resistance material layer 181 b and the first variable resistance material layer 181 a that covers the surface of the third interlayer insulating layer 16, and the memory cell hole 29 A portion above the upper opening (a portion having a higher height from the substrate than the upper end surface of the third interlayer insulating layer 16) is removed using a CMP process.

このとき、第2抵抗変化材料層181bの上面の一部は、第3層間絶縁層16の上端面よりも低い位置まで除去され、CMPプロセスに特有のリセスが形成される。このリセスを埋めるように、第2抵抗変化材料層181bおよび第3層間絶縁層16の上に第1電極材料層191を、CVD法で形成する。そして、再びCMPプロセスを用いて、第1電極材料層191の、第3層間絶縁層16の表面を覆う部分と、メモリセルホール29の上部開口よりも上にある部分を除去する。   At this time, a part of the upper surface of the second variable resistance material layer 181b is removed to a position lower than the upper end surface of the third interlayer insulating layer 16, and a recess peculiar to the CMP process is formed. A first electrode material layer 191 is formed on the second variable resistance material layer 181b and the third interlayer insulating layer 16 by a CVD method so as to fill the recess. Then, again using the CMP process, the portion of the first electrode material layer 191 covering the surface of the third interlayer insulating layer 16 and the portion above the upper opening of the memory cell hole 29 are removed.

その後、第1実施形態において図9で説明した工程を実行することにより、不揮発性記憶装置31が完成する。   Thereafter, the non-volatile memory device 31 is completed by executing the steps described in FIG. 9 in the first embodiment.

不揮発性記憶装置31においても、不揮発性記憶装置30と同様に、第1電極19がメモリセルホール29の中に完全に埋め込まれ、かつ第1配線22は、基板の厚み方向から見て第1電極19の外周より外側にまで設けられていることから、全ての層がメモリセルホールの中に埋め込まれた従来の非オーミック性素子と比べて、第1電極19と第1配線22との直接接触による電流リークの懸念がなく、かつ、より大きな実効面積を持つ第1非オーミック性素子20を得ることができる。   Also in the nonvolatile memory device 31, as in the nonvolatile memory device 30, the first electrode 19 is completely embedded in the memory cell hole 29, and the first wiring 22 is the first when viewed from the thickness direction of the substrate. Since it is provided outside the outer periphery of the electrode 19, the first electrode 19 and the first wiring 22 can be directly compared with the conventional non-ohmic element in which all layers are embedded in the memory cell hole. The first non-ohmic element 20 having no larger current area and no concern about current leakage due to contact can be obtained.

(第3実施形態)
図17は、本発明の第3実施形態の不揮発性記憶装置40の構成を説明するための断面図である。この不揮発性記憶装置40は、図15に示す第2実施形態の不揮発性記憶装置30のメモリセルアレイを基本構成としており、この基本構成を構成単位として積層し、多層のメモリセルアレイを構成したものである。このようにメモリセルアレイを積層することにより、さらに大容量の不揮発性記憶装置を実現することができる。
(Third embodiment)
FIG. 17 is a cross-sectional view for explaining the configuration of the nonvolatile memory device 40 according to the third embodiment of the present invention. This non-volatile memory device 40 has a basic configuration of the memory cell array of the non-volatile memory device 30 of the second embodiment shown in FIG. 15, and this basic configuration is stacked as a structural unit to form a multilayer memory cell array. is there. By stacking the memory cell arrays in this way, a larger capacity nonvolatile memory device can be realized.

不揮発性記憶装置40では、抵抗変化型素子と非オーミック性素子とがそれぞれ3段ずつ積層された構成を例示しているが、第1段目、第2段目および第3段目のメモリセルアレイのそれぞれの構成要件を理解しやすくするために、第1段目については第1段、第2段目については第2段、第3段目については第3段を付して区別して表記する。以下では、不揮発性記憶装置30に含まれる構成要素と同じ構成要素には同じ符号を付し、説明を適宜省略する。   The nonvolatile memory device 40 exemplifies a configuration in which variable resistance elements and non-ohmic elements are stacked in three stages, but the first, second, and third stage memory cell arrays. In order to make it easy to understand each of the components, the first level is distinguished by adding the first level, the second level by the second level, and the third level by the third level. . In the following, the same components as those included in the nonvolatile memory device 30 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted as appropriate.

以下、本実施形態の不揮発性記憶装置40の構成を簡単に説明する。なお、図15に示す不揮発性記憶装置30の場合には、第1配線22は、第1抵抗変化型素子17と第1非オーミック性素子20とがマトリクス状に形成された領域の外にまで延びる構成としている。   Hereinafter, the configuration of the nonvolatile memory device 40 of the present embodiment will be briefly described. In the case of the nonvolatile memory device 30 shown in FIG. 15, the first wiring 22 extends to the outside of the region where the first variable resistance element 17 and the first non-ohmic element 20 are formed in a matrix. The structure is extended.

一方、本実施形態の不揮発性記憶装置40では、第1配線22と別個の構成要素である第2裏打ち配線27及び第2電極配線152がマトリクス領域内の第1配線22上にも延在して設けられている。そのような構造は、さらに第2段目および第3段目にも同様に設けられる。   On the other hand, in the nonvolatile memory device 40 of the present embodiment, the second backing wiring 27 and the second electrode wiring 152 which are separate components from the first wiring 22 also extend over the first wiring 22 in the matrix region. Is provided. Such a structure is provided in the second and third stages as well.

また、第1段目の第1配線22と、第2段目の第2裏打ち配線27を、同じ材料で構成する場合は、1つの共通の配線層を第1段目と第2段目で共有してもよい。そのような共有は、さらに第2段目と第3段目においても同様に可能である。   When the first wiring 22 of the first stage and the second backing wiring 27 of the second stage are made of the same material, one common wiring layer is formed between the first stage and the second stage. You may share. Such sharing is also possible in the second and third stages.

第2裏打ち配線27及び第2電極配線152を含む第4層間絶縁層23上に、さらに第5層間絶縁層47が形成されている。この第5層間絶縁層47には、第1抵抗変化型素子17に対応する位置にそれぞれメモリセルホールが設けられ、このメモリセルホール中に第2段目の抵抗変化層を構成する第3抵抗変化層42a及び第4抵抗変化層42b、並びに第2電極43が埋め込み形成されている。   A fifth interlayer insulating layer 47 is further formed on the fourth interlayer insulating layer 23 including the second backing wiring 27 and the second electrode wiring 152. The fifth interlayer insulating layer 47 is provided with a memory cell hole at a position corresponding to the first resistance change element 17, and a third resistance constituting a second-stage resistance change layer in the memory cell hole. The change layer 42a, the fourth resistance change layer 42b, and the second electrode 43 are embedded.

そして、この第2電極43に接続し、基板の厚み方向から見て第2裏打ち配線27に交差する方向に帯状に、第2電流制御層45、第2段の第2配線46、第3裏打ち配線49および第3電極配線153が形成されている。さらに、これらを埋め込むように第6層間絶縁層48が形成されている。   Then, the second current control layer 45, the second stage second wiring 46, and the third backing are connected to the second electrode 43 and formed in a strip shape in a direction intersecting with the second backing wiring 27 when viewed from the thickness direction of the substrate. A wiring 49 and a third electrode wiring 153 are formed. Further, a sixth interlayer insulating layer 48 is formed so as to bury them.

第3電極配線153と第6層間絶縁層48上に第7層間絶縁層52が形成されている。この第7層間絶縁層52には、第1抵抗変化型素子17(第1段記憶部)および第2抵抗変化型素子41(第2段記憶部)に対応する位置にメモリセルホールが設けられ、このメモリセルホール中に第3段抵抗変化層を構成する第5抵抗変化層54a及び第6抵抗変化層54b、並びに第3電極55が埋め込み形成されている。   A seventh interlayer insulating layer 52 is formed on the third electrode wiring 153 and the sixth interlayer insulating layer 48. The seventh interlayer insulating layer 52 is provided with a memory cell hole at a position corresponding to the first resistance change element 17 (first stage storage unit) and the second resistance change type element 41 (second stage storage part). In the memory cell hole, a fifth resistance change layer 54a and a sixth resistance change layer 54b constituting the third stage resistance change layer, and a third electrode 55 are embedded.

そして、この第3電極55に接続し、基板の厚み方向から見て、第3裏打ち配線49および第3電極配線153に交差する方向に帯状に、第3電流制御層57、第3配線58および第4裏打ち配線59が形成されている。さらに、これらを埋め込み保護するために第8層間絶縁層60が形成されている。   The third current control layer 57, the third wiring 58, and the third electrode 55 are connected to the third electrode 55 in a band shape in a direction intersecting the third backing wiring 49 and the third electrode wiring 153 when viewed from the thickness direction of the substrate. A fourth backing wiring 59 is formed. Further, an eighth interlayer insulating layer 60 is formed to bury and protect them.

なお、第2段目の抵抗変化層(第3抵抗変化層42aと第4抵抗変化層42bとで構成)、この第2段目の抵抗変化層を挟む領域の第2電極配線152および第2電極43で第2抵抗変化型素子41(第2段記憶部)を構成している。また、第2電極43、第2電流制御層45および第2配線46で第2非オーミック性素子44を構成している。   The second-stage resistance change layer (comprising the third resistance change layer 42a and the fourth resistance change layer 42b), the second electrode wiring 152 in the region sandwiching the second-stage resistance change layer, and the second The electrode 43 constitutes the second variable resistance element 41 (second-stage storage unit). The second electrode 43, the second current control layer 45, and the second wiring 46 constitute a second non-ohmic element 44.

さらに、第3段目の抵抗変化層(第5抵抗変化層54aと第6抵抗変化層54bとで構成)、この第3段目の抵抗変化層を挟む領域の第3電極配線153および第3電極55で第3抵抗変化型素子53(第3段記憶部)を構成している。また、第3電極55、第3電流制御層57および第3配線58で第3非オーミック性素子56を構成している。   Further, the third-stage resistance change layer (configured by the fifth resistance change layer 54a and the sixth resistance change layer 54b), the third electrode wiring 153 and the third electrode wirings in the region sandwiching the third-stage resistance change layer The electrode 55 constitutes a third resistance variable element 53 (third stage storage unit). The third electrode 55, the third current control layer 57, and the third wiring 58 constitute a third non-ohmic element 56.

また、第1裏打ち配線15は、第2埋め込み導体24、第1埋め込み導体25と回路配線26とを介して能動素子12のソース領域12aに接続している。また、第2裏打ち配線27についても同様に、別の埋め込み導体(図示せず)と別の回路配線(図示せず)とを介して別の能動素子(図示せず)に接続されている。   Further, the first backing wiring 15 is connected to the source region 12 a of the active element 12 through the second embedded conductor 24, the first embedded conductor 25, and the circuit wiring 26. Similarly, the second backing wiring 27 is connected to another active element (not shown) via another buried conductor (not shown) and another circuit wiring (not shown).

さらに、第3裏打ち配線49は、図17に示すように、第5埋め込み導体50、第4埋め込み導体51、第1電極配線151、第1裏打ち配線15、第2埋め込み導体24、回路配線26、および第1埋め込み導体25を介して別の能動素子12のソース領域12aに接続されている。また、第4裏打ち配線59についても、第2裏打ち配線27と同様に異なる埋め込み導体(図示せず)と異なる回路配線(図示せず)とを介して異なる能動素子(図示せず)に接続されている。   Further, as shown in FIG. 17, the third lining wiring 49 includes a fifth embedded conductor 50, a fourth embedded conductor 51, a first electrode wiring 151, a first lining wiring 15, a second embedded conductor 24, a circuit wiring 26, And connected to the source region 12 a of another active element 12 through the first buried conductor 25. Similarly to the second backing wiring 27, the fourth backing wiring 59 is also connected to different active elements (not shown) via different embedded conductors (not shown) and different circuit wirings (not shown). ing.

第1段目の第1裏打ち配線15と第2裏打ち配線27とは、それぞれビット線とワード線のいずれかとなり、例えば一般的なメモリ駆動回路に用いられるビット線デコーダとワード線デコーダにそれぞれ接続される。また、第2裏打ち配線27と第3裏打ち配線49とは、同様にそれぞれビット線とワード線のいずれかとなり、前記ビット線デコーダとワード線デコーダにそれぞれ接続される。   The first backing wiring 15 and the second backing wiring 27 in the first stage are each a bit line or a word line, and are connected to, for example, a bit line decoder and a word line decoder used in a general memory driving circuit, respectively. Is done. Similarly, the second backing wiring 27 and the third backing wiring 49 are each a bit line or a word line, and are connected to the bit line decoder and the word line decoder, respectively.

ただし、第1段目において、第2裏打ち配線27がビット線を構成している場合には、第2段目においてもビット線を構成し、第3裏打ち配線49はワード線を構成するように設計される。さらに、第3裏打ち配線49がワード線を構成する場合には、第4裏打ち配線59はビット線を構成するように設計される。   However, when the second backing wiring 27 constitutes a bit line in the first stage, the bit line is constituted also in the second stage, and the third backing wiring 49 constitutes a word line. Designed. Further, when the third backing wiring 49 constitutes a word line, the fourth backing wiring 59 is designed to constitute a bit line.

以上のように、本実施形態の不揮発性記憶装置40の場合には、それぞれの段(多層のメモリセルアレイの各層)に設けた第1抵抗変化型素子17、第2抵抗変化型素子41、第3抵抗変化型素子53に対して個別にそれぞれ第1非オーミック性素子20、第2非オーミック性素子44、第3非オーミック性素子56が設けられているので、それぞれの段に設けられている第1抵抗変化型素子17、第2抵抗変化型素子41、第3抵抗変化型素子53の書き込みと読み出しを安定に、かつ確実に行うことができる。   As described above, in the case of the nonvolatile memory device 40 according to the present embodiment, the first resistance change element 17, the second resistance change element 41, the first resistance change element 17 provided in each stage (each layer of the multilayer memory cell array). Since the first non-ohmic element 20, the second non-ohmic element 44, and the third non-ohmic element 56 are individually provided for the three-resistance variable element 53, they are provided in the respective stages. Writing and reading of the first resistance change element 17, the second resistance change element 41, and the third resistance change element 53 can be performed stably and reliably.

このような多段構成の記憶部と非オーミック性素子を有する不揮発性記憶装置40の製造工程は、基本的には第2実施形態の不揮発性記憶装置30の製造方法に含まれる工程を繰り返せばよい。   The manufacturing process of the nonvolatile memory device 40 having such a multi-stage storage unit and a non-ohmic element may be basically repeated by the steps included in the manufacturing method of the nonvolatile memory device 30 of the second embodiment. .

なお、上述した第3実施形態における不揮発性記憶装置は、図15に示す第2実施形態の不揮発性記憶装置30のメモリセルアレイを基本構成として、この基本構成を構成単位として積層し、多層のメモリセルアレイを構成したものである。しかしながら、この図15に示した構成に代えて、図16に示す第2実施形態の変形例の不揮発性記憶装置31のメモリセルアレイを基本構成として、この基本構成を構成単位として積層し、多層のメモリセルアレイを構成することも可能である。この構成によっても、本第3実施形態と同様の効果が得られる。   The nonvolatile memory device according to the third embodiment described above has a memory cell array of the nonvolatile memory device 30 according to the second embodiment shown in FIG. 15 as a basic configuration, and this basic configuration is stacked as a structural unit to provide a multilayer memory. It constitutes a cell array. However, instead of the configuration shown in FIG. 15, the memory cell array of the nonvolatile memory device 31 according to the modification of the second embodiment shown in FIG. 16 is used as a basic configuration, and this basic configuration is stacked as a structural unit. It is also possible to configure a memory cell array. Also with this configuration, the same effect as in the third embodiment can be obtained.

本発明の不揮発性記憶装置は、ホール内に酸素含有率の異なる2つの抵抗変化層を備えており、かつそのうちの1層の酸素濃度が他層よりも低くかつ酸窒素不足型の金属酸窒化物であるために、抵抗変化層間の酸素拡散の低減が可能となるため、種々の電子機器分野に有用である。   The nonvolatile memory device of the present invention includes two resistance change layers having different oxygen contents in a hole, and one of the layers has a lower oxygen concentration than the other layers and is a metal oxynitride lacking oxynitrogen. Therefore, the oxygen diffusion between the resistance change layers can be reduced, which is useful in various electronic device fields.

10、30、40 不揮発性記憶装置(ReRAM)
11 基板
12 能動素子
12a ソース領域
12b ドレイン領域
12c ゲート絶縁膜
12d ゲート電極
13 第1層間絶縁層
14 第2層間絶縁層
15 第1裏打ち配線
16 第3層間絶縁層
17 第1抵抗変化型素子
18a 第1抵抗変化層
18b 第2抵抗変化層
19 第1電極
20 第1非オーミック性素子
21 第1電流制御層
22 第1配線
23 第4層間絶縁層
24 第2埋め込み導体
25 第1埋め込み導体
26 回路配線
27 第2裏打ち配線
28 第3埋め込み導体
29 メモリセルホール
41 第2抵抗変化型素子
42a 第3抵抗変化層
42b 第4抵抗変化層
43 第2電極
44 第2非オーミック性素子
45 第2電流制御層
46 第2配線
47 第5層間絶縁層
48 第6層間絶縁層
49 第3裏打ち配線
50 第5埋め込み導体
51 第4埋め込み導体
52 第7層間絶縁層
53 第3抵抗変化型素子
54a 第5抵抗変化層
54b 第6抵抗変化層
55 第3電極
56 第3非オーミック性素子
57 第3電流制御層
58 第3配線
59 第4裏打ち配線
60 第8層間絶縁層
151 第1電極配線
152 第2電極配線
153 第3電極配線
181a 第1抵抗変化材料層(第1堆積膜)
181b 第2抵抗変化材料層(第2堆積膜)
191 第1電極材料層
200 基板
201、211 配線
204、210 コンタクトプラグ
205 下部電極
206 抵抗変化層
206a 第1抵抗変化層
206b 第2抵抗変化層
207 上部電極
10, 30, 40 Nonvolatile memory (ReRAM)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Substrate 12 Active element 12a Source region 12b Drain region 12c Gate insulating film 12d Gate electrode 13 First interlayer insulating layer 14 Second interlayer insulating layer 15 First backing wiring 16 Third interlayer insulating layer 17 First resistance variable element 18a First 1st resistance change layer 18b 2nd resistance change layer 19 1st electrode 20 1st non-ohmic element 21 1st current control layer 22 1st wiring 23 4th interlayer insulation layer 24 2nd embedded conductor 25 1st embedded conductor 26 Circuit wiring 27 Second backing wiring 28 Third buried conductor 29 Memory cell hole 41 Second variable resistance element 42a Third variable resistance layer 42b Fourth variable resistance layer 43 Second electrode 44 Second non-ohmic element 45 Second current control layer 46 Second wiring 47 Fifth interlayer insulating layer 48 Sixth interlayer insulating layer 49 Third backing wiring 50 Fifth buried conductor 51 4th buried conductor 52 7th interlayer insulation layer 53 3rd resistance change element 54a 5th resistance change layer 54b 6th resistance change layer 55 3rd electrode 56 3rd non-ohmic element 57 3rd current control layer 58 3rd Wiring 59 Fourth backing wiring 60 Eighth interlayer insulating layer 151 First electrode wiring 152 Second electrode wiring 153 Third electrode wiring 181a First variable resistance material layer (first deposited film)
181b Second variable resistance material layer (second deposited film)
191 First electrode material layer 200 Substrate 201, 211 Wiring 204, 210 Contact plug 205 Lower electrode 206 Resistance change layer 206a First resistance change layer 206b Second resistance change layer 207 Upper electrode

Claims (6)

基板上に帯状に形成されている第1電極配線と、
前記第1電極配線および前記基板上に形成されている層間絶縁層と、
前記層間絶縁層を貫通して前記第1電極配線に至るメモリセルホールと、
前記メモリセルホール中において、前記メモリセルホールの底部および側面を覆う領域に形成されている抵抗変化層と、
前記抵抗変化層上に、前記メモリセルホールの内部に形成された第1電極と、
前記第1電極および前記層間絶縁層上において、少なくとも前記メモリセルホールの開口を覆う領域に、前記第1電極配線と交差する方向に帯状に形成されている第1配線と、
を備え、
前記抵抗変化層は、酸素不足型遷移金属酸化物で構成される第1抵抗変化層と、酸素含有率が前記第1抵抗変化層と異なる酸窒素不足型遷移金属酸窒化物で構成される第2抵抗変化層との積層構造体であり、
前記遷移金属をM、前記第1抵抗変化層の組成をMO、前記第2抵抗変化層の組成をMOと表した場合に、
z>(x+y)
なる関係を満たす不揮発性記憶装置。
A first electrode wiring formed in a strip shape on the substrate;
An interlayer insulating layer formed on the first electrode wiring and the substrate;
A memory cell hole extending through the interlayer insulating layer and reaching the first electrode wiring;
In the memory cell hole, a resistance change layer formed in a region covering the bottom and side surfaces of the memory cell hole;
A first electrode formed in the memory cell hole on the variable resistance layer;
On the first electrode and the interlayer insulating layer, a first wiring formed in a strip shape in a direction intersecting the first electrode wiring at least in a region covering the opening of the memory cell hole;
With
The resistance change layer includes a first resistance change layer made of an oxygen-deficient transition metal oxide and a first oxygen change-deficient transition metal oxynitride having an oxygen content different from that of the first resistance change layer. A laminated structure with two resistance change layers,
When the transition metal is represented by M, the composition of the first variable resistance layer is expressed as MO z , and the composition of the second variable resistance layer is expressed as MO x N y ,
z> (x + y)
A non-volatile storage device that satisfies the relationship
前記第1抵抗変化層が前記メモリセルホールの底部および側面に接しており、前記第2抵抗変化層が前記第1抵抗変化層に接している、請求項1に記載の不揮発性記憶装置。  2. The nonvolatile memory device according to claim 1, wherein the first resistance change layer is in contact with a bottom portion and a side surface of the memory cell hole, and the second resistance change layer is in contact with the first resistance change layer. 前記遷移金属が、タンタル、ハフニウム、ジルコニウム、ニッケル、チタンからなる群より選ばれるいずれか1つの遷移金属である、請求項1に記載の不揮発性記憶装置。  The nonvolatile memory device according to claim 1, wherein the transition metal is any one transition metal selected from the group consisting of tantalum, hafnium, zirconium, nickel, and titanium. 前記遷移金属がタンタルである、請求項1に記載の不揮発性記憶装置。  The nonvolatile memory device according to claim 1, wherein the transition metal is tantalum. 酸窒素不足型タンタル酸窒化物に占める酸素原子数と窒素原子数の総和が、50乃至70atm%である、請求項4に記載の不揮発性記憶装置。  The nonvolatile memory device according to claim 4, wherein the total number of oxygen atoms and nitrogen atoms in the oxynitrogen-deficient tantalum oxynitride is 50 to 70 atm%. 前記第1電極と前記第1配線との間に第1電流制御層を配置する、請求項1に記載の不揮発性記憶装置。  The nonvolatile memory device according to claim 1, wherein a first current control layer is disposed between the first electrode and the first wiring.
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